DE963387C - Thermischer Isolationskoerper - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 9. MAI 1957

/ 6131 XII147 a

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Isolationskörper und insbesondere auf Vakuumisolatoren, bei welchen die Wände eines Vakuumgefäßes durch ein Füllmaterial gegeneinander abgestützt werden.

Es ist bereits bekannt, daß mit Hilfe von Vakuumräumen eine sehr wirkungsvolle thermische Isolation erreicht werden kann. Jedoch sind thermische Isolatoren unter Verwendung von Vakuum bisher praktisch nur als zylindrische Glasbehälter oder Glasflaschen ausgeführt worden, z. B. als Dewargefäß e, bei denen die gekrümmten Wände eine genügende Festigkeit gegenüber dem atmosphärischen Druck hatten. Derartige Gefäße leiden ferner unter dem Nachteil, daß der Innendruck sehr gering gehalten werden muß, beispielsweise auf ι Mikron Quecksilbersäule oder weniger, wenn die thermische Isolation gut sein soll.

Es ist auch schon versucht worden, plattenförmige Isolationskörper unter Verwendung von Vakuum herzustellen, bei denen der Vakuumraum durch ebene Wände begrenzt ist. Da jedoch bei diesen Ausführungen der äußere Atmosphärendruck zu einer Durchbiegung der Wände führen kann, müssen die ebenen Wände durch eine verhältnismäßig große Anzahl von Distanzstücken gegeneinander abgestützt werden, welche selbst als Wärmeleiter zwischen den Wänden wirken und die Vorteile des Vakuums als isolierendes Medium in erheblichem Maße wieder rückgängig machen. Die

709 513/117

unmittelbare Wärmeleitung in den Distanzstücken zwischen den Wänden vermindert somit die Isolationswirkung, und zwar auch dann, wenn die Distanzstücke aus verhältnismäßig schlecht wärmeleitenden Stoffen hergestellt sind.

Es sind auch bereits evakuierte Isolationskörper bekannt, deren biegsame Wände gegen den äußeren Luftdruck durch ein pulver- oder . f aserförmiges Füllmaterial abgestützt sind. Durch die Wärmeleitung der Füllung, die natürlich relativ dicht gepackt sein muß und daher kurze Wärmeleitungswege zwischen der kalten und der warmen Fläche der Wand ergibt, wird der Vorteil der Evakuierung zum großen Teil wieder rückgängig gemacht.
Die weiterhin bekannten Faserplatten, die durch schichtweises Auftragen von Glasfasern und einem Bindemittel, beispielsweise Asphalt, hergestellt werden, sind für Wärmeisolation praktisch ungeeignet, da sie keine isolierenden Zwischenräume enthalten.

Gemäß der Erfindung soll ein thermischer Isolationskörper unter Verwendung von Vakuum zwischen zwei Wänden benutzt werden mit einem Füllmaterial zur Abstützung der Wände, welches eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat.

Außerdem bezweckt die Erfindung einen thermischen Isolator zu schaffen, welcher den Bau solcher Gegenstände wie Kühlschrankbehälter, Kochkessel usw. ermöglicht, deren Wände nur einen Bruchteil der bisher üblichen Dicke haben, so daß der Raum innerhalb des Kühlschrankbehälters, des Kessels usw. erheblich vergrößert wird.

Der erfindungsgemäße thermische Isolationskörper besteht aus einem abgeschlossenen evakuierten Behälter mit zwei parallelen biegsamen Wänden, zwischen denen ein Füllmaterial aus Faserstoff liegt. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstoff aus Fäden eines harten Materials geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, die in zu den Wänden parallelen Ebenen regellos angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäße, regellose Lage der abstützenden Fasern in parallel zu den Wänden liegenden Ebenen wird die Wärmeleitung durch Verringerung der Berührungsflächen zwischen den Faserlagen und durch Verlängerung der Wärmeleitungswege wesentlich herabgesetzt, wie im einzelnen an Hand der Zeichnungen erläutert werden soll.

Fig. ι veranschaulicht einen Teil einer solchen Anordnung mit zwei einen Abstand aufweisenden Wänden, wobei der Zwischenraum in der erfindungsgemäßen Weise gefüllt ist;

Fig. 2 bis 4 stellen andere Ausführungsformen der Isolationsanordnung dar;

Fig. 5 zeigt in stark vergrößertem Maßstabe die ungefähre Anordnung und gegenseitige Lage der einzelnen Fäden innerhalb des Vakuumraumes;

Fig. 6, 7 und 8 sind Kurven, welche die Eigenschäften des thermischen Isolators unter verschiedenen Bedingungen wiedergeben.

Bevor die erfindungsgemäßen Wärmeisolatoren näher beschrieben werden, sei kurz betrachtet, wie der Wärmeübergang durch Vakuumplatten der hier behandelten Art vor sich geht. Der Wärmeübergang findet zum Teil durch Wärmeleitung im Gase, zum Teil durch Strahlung und zum Teil durch Wärmeleitung in den festen Körpern statt. Die Wärmeleitung im Gase besteht in dem Wärmeübergang zwischen den einzelnen Gasmolekülen. Bei abnehmendem Gasdruck bleibt der Wärmeübergang zwischen den Gasmolekülen etwa konstant, bis die freie Weglänge der Gasmoleküle etwa die Porengröße des Füllmaterials annimmt. Sodann nimmt die Wärmeleitung im Gase mit dem Druck ungefähr linear ab, bis sie vernachlässigbar wird, so daß dann der Wärmeübergang praktisch ausschließlich durch Strahlung und durch die Wärmeleitung im Füllmaterial selbst stattfindet. Der allgemeine Zusammenhang zwischen dem Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit (K) und dem Druck im Vakuumraum ist in Fig. 6 veranschaulicht. Diese Größe wird weiter unten in Zusammenhang mit der Wärmeisolationsfähigkeit der erfindungsgemäßen Anordnungen noch näher diskutiert werden.

Der Wärmeübergang durch Strahlung ist am größten, wenn der Vakuumraum gar kein Füllmaterial enthält. Bei Dewargefäßen wird die Strahlung durch Anbringung reflektierender Überzüge auf den Wänden, z. B. durch Silber- oder Aluminiumüberzüge, vermindert. Wenn jedoch ein Füllmaterial benutzt wird, wie es gemäß der Erfindung geschehen soll, so verkleinert das Füllmaterial selbst bei einer geeigneten Auswahl den Wärmeübergang durch Strahlung erheblich.

Die körperliche Wärmeleitung besteht in dem Wärmeübergang zwischen den Wänden durch das feste im Vakuumraum enthaltene Material.

Gemäß der Erfindung kann der Isolierkörper beispielsweise gemäß Fig. 1 aufgebaut werden. Diese Isolierplatte besteht aus einer Wand 1 aus dünnem biegsamem Blech von verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus kohlenstoffarmem Stahl und ferner aus einer zweiten Wand 2 aus einem dünnen biegsamen Blech von verhältnismäßig niedriger Leitfähigkeit, beispielsweise aus rostfreiem Stahl. Die Wände 1 und 2 sind an ihrer Kante 3 miteinander verbunden, beispielsweise durch Schweißung. Der Raum zwischen den Blättern 1 und 2 ist mit einem Füllmaterial 4 xio ausgefüllt, welches diese Wände gegen den äußeren Atmosphärendruck abstützt, und ist im übrigen in bekannter Weise evakuiert. Das Füllmaterial 4 kann entweder vor seiner Einbringung in den Innenraum gepreßt werden oder es wird nach -?einem Einbau zwischen die Wände 1 und 2 unter der Wirkung des äußeren. Atmosphärendrucks zusammengedrückt. Der Evakuierungsprozeß beinhaltet auch eine Ausheizung, z. B. bei 450° C, welche das in den Wänden und dem Füllmaterial okkludierte Gas abzupumpen gestattet.

Um die Wände 1 und 2 gegen den äußeren Atmosphärendruck abzustützen und gleichzeitig den Wärmeübergang durch das Füllmaterial 4, insbesondere die körperliche Wärmeleitung durch das Füllmaterial hindurch und die Wärmestrahlung zu

verkleinern, wird eine besondere Art und Anordnung . des Füllmaterials verwendet. Das Füllmaterial 4 besteht aus langen dünnen Glasfaden oder Fäden eines ähnlichen Materials, wobei praktisch alle Fäden in zueinander parallelen Ebenen liegen und innerhalb dieser Ebene völlig ungeordnet sind. Die langen Fäden liegen also in Ebenen, die parallel zu den Wänden ι und 2 verlaufen, so daß im wesentlichen jeder Faden vollständig senkrecht zur Richtung des Wärmeübergangs zwischen den Wänden, verläuft und die projizierte Länge jedes Fadens auf die senkrecht zur Wandrichtung verlaufende Ebene sehr klein ist. In jeder dieser parallelen Ebenen sind die Fäden jedoch vollkommen ungeordnet. Bei dieser Anordnung der sich berührenden Fäden, bei der zwischen den Fadenrichtungen ein beträchtlicher Winkel vorhanden ist, wird die körperliche Wärmeleitung durch die Fäden hindurch sehr klein, wie weiter unten noch erläutert wird.

Einige' handelsübliche Isoliermaterialien enthalten Glasfäden in der beschriebenen Orientierung und können, wenn sie zur Abgabe bestimmter . Fremdstoffe in der im folgenden noch erläuterten Weise behandelt werden, ohne weiteres als Füllmaterial für eine Anordnung nach der Erfindung benutzt werden. So haben gewisse Isoliermaterialien, z. B. die, welche in den V. St. v. Amerika unter dem Namen Fiberglas, TWF-Fiber oder B-Fiber im Handel sind, schon nach ihrer Herstellung eine geeignete Fadenorientierung. Diese Isolatiorisstoffe können zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vakuumplatte benutzt werden, wenn man darauf achtet, den Isolationsstoff so einzubauen, daß die Fadenschichten ungefähr parallel zu den Wänden, d. h. im wesentlichen senkrecht zu der Wärmeübergangsrichtung zwischen den Wänden verlaufen. Unter dem der Einfachheit halber in der Beschreibung verwendeten Ausdruck »Glasfäden« sollen auch alle fadenartigen Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften wie Glas bezüglich der Härte, der geringen Wärmeleitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit, d. h. Stoffe ohne eine erhebliche Gasabgabe während langer Zeiten verstanden werden. So können z. B. Quarzfäden, Gesteinsfäden oder ein ähnliches Material· verwendet werden, natürlich vorausgesetzt, daß die Fäden in der obenerwähnten Weise orientiert sind.

Eine andere Form eines Isolierkörpers, d. h.

einer Platte, ist in Fig. 2 dargestellt. Dort haben die beiden Wände 6 und 7 eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit und bestehen z. B. aus kohlenstoffarmem Stahl. An den Kanten der Wände 6 und 7 wird die Platte mittels eines Streifens 8 von geringer Wärmeleitfähigkeit dicht abgeschlossen, beispielsweise mittels eines Streifens aus rostfreiem Stahl. Der Streifen 8 kann gerillt sein, um den Wärmeleitungsweg zu verlängern.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 verlaufen die beiden Wände parallel zueinander. Für Isolationskörper gemäß der Erfindung können aber auch Anordnungen verwendet werden, bei denen eine oder beide Wände nicht eben verlaufen, oder bei denen beide Wände nicht parallel zueinander verlaufen. Als Beispiel ist in Fig. 3 eine An-Ordnung dargestellt, welche eine ebene Wand 9 und eine gewellte Wand 10 enthält. Der Raum zwischen den beiden Wänden ist größtenteils mit einem Füllmaterial 4 'der oben beschriebenen Art gefüllt. Der Rest des Raumes, nämlich der Raum innerhalb der Rillen der Wand 10, ist mit einem thermischen Isolationsmaterial 11 gefüllt, welches von derselben Art sein kann wie das Material 4 oder aus einem anderen thermischen Isolationsmaterial bestehen kann. Als ein weiteres Beispiel sei die in Fig. 4 dargestellte Anordnung besprochen, bei der die Wände 12 und 13 unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufen. An den Kanten sind die Wände 12 und 13 mittels eines Streifens 14 von geringer Wärmeleitfähigkeit verbunden. Wenigstens der überwiegende Teil des Innenraumes ist mit einem Füllmaterial 4 der beschriebenen Art gefüllt. Man kann dabei beispielsweise durch parallele Flächen begrenzte Stücke eines Füllmaterials 4 verwenden und die verbleibenden dreieckigen Querschnittsräume mit thermischem Isoliermaterial nach Art des Materials 4 oder anderem thermischen Isoliermaterial 15 füllen.

Die Orientierung der Fäden ist in stark vergrößertem Maßstabe in Fig. 5 dargestellt. Die in dieser Figur mit 16 bis 19 bezeichneten Glasfaden sind innerhalb ein und derselben Ebene vollkommen regellos orientiert, d. h. diese Fäden liegen unter ganz verschiedenen Winkeln zueinander, befinden sich aber alle etwa in derselben Ebene oder in aufeinanderfolgenden parallelen Ebenen. Es besteht also mit anderen Worten keine regellose dreidimensionale Orientierung der Fibern. Wenn man ein Gitterwerk dieser Anordnung aufbaut, so können natürlich Teile einzelner Fäden in verschiedenen Ebenen liegen, jedoch ist die auf eine senkrecht zur Wandrichtung liegende Ebene projizierte Länge der einzelnen Fäden sehr klein im Vergleich zu der auf die Wände projizieren Länge. Bei der Anordnung des Füllmaterials innerhalb des Vakuumraums in Fig. 1 beispielsweise sind"die Ebenen, in denen die Fäden regellos orientiert sind, parallel zu den Wänden 1 und 2, d. h. senkrecht zu der Richtung des Wärmeübergangs von einer Wand zur anderen. Dabei liegt in Fig. 1 eine ganze Reihe solcher Ebenen parallel zueinander zwischen den Wänden 1 und 2.

Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß bei der beschriebenen Anordnung der Glasfäden ein verhältnismäßig langer körperlicher Wärmeleitungsweg zwisehen den Wänden 1 und 2 entsteht. So fließt der Wärmestrom in Fig. 5 zwischen den Punkten 20 und 21 längs der punktierten Linie22, d.h. längs eines langen und vielfach gewundenen Weges, imd die körperliche Wärmeleitung ist sehr viel-kleiner, als wenn die Wärme unmittelbar zwischen dem Punkt 20 und 21 übergehen würde. Der lange und gewundene Wärmeübergangsweg ist in Wirklichkeit wegen der zahlreichen Fadenschichten zwischen den beiden Wänden noch viel komplizierter und langer, so· daß die körperliche Wärmeleitung

erheblich geringer ist als bei der Verwendung fester Distanzstücke zwischen den Wänden. Außerdem sieht man, daß die regellose Orientierung der Fäden zu sehr kleinen Berührungsquerschnitten zwischen den einzelnen Fäden führt. Wenn man dagegen im Gegensatz zu der beschriebenen regellosen Orientierung die Fäden alle parallel nebeneinander anordnen würde, so .würde eine Berührung zwischen zwei nebeneinanderliegenden Fäden längs

ίο der ganzen Fadenlänge zustande kommen und daher eine verhältnismäßig große Berührungsfläche entstehen.

Durch die Verwendung von Fäden aus Glas und gleichartigen harten Materialien niedriger Wärme-

leitfähigkeit wird noch ein weiterer Vorteil erzielt. Glas beispielsweise ist verhältnismäßig hart und inkompressibel und besitzt eine Youngziffer von beispielsweise 492 · io⁶ bis 843 · io^e g je cm². Wegen der Härte und Inkompressibilität nimmt die Berührungsfläche der einzelnen Fäden unter dem äußeren Atmosphärendruck gegen die evakuierte Isolierplatte nur sehr wenig zu. Daher ändert sich die körperliche Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials zwischen dem unkomprimierten und dem hochkomprimierten Zustand nur sehr wenig. Dies bedeutet natürlich einen sehr großen Vorteil, da eine evakuierte Platte der beschriebenen Art notwendigerweise unter einem starken Druck steht. Es wird somit durch Verwendung eines Füllmaterials aus einzelnen Fäden der beschriebenen Eigenschaften und Anordnung eine Zunahme der körperlichen Wärmeleitfähigkeit infolge des starken auf das Füllmaterial ausgeübten Druckes sehr klein gehalten. Es ist außerdem zu beachten, daß zusätz-Hch zu der Tatsache, daß die Verwendung von hartem und inkompressiblem Füllmaterial die Kontaktfläche zwischen den einzelnen Fäden bei dem bestehenden Druckunterschied nicht wesentlich zunehmen läßt, eine geringe Zunahme der Kontaktfläche auch nur einen geringen Einfuß auf den gesamten Wärmewiderstand hat, da der größte Teil dieses Wärmewiderstandes innerhalb der einzelnen Fäden zwischen zwei Berührungsstellen mit den angrenzenden Fäden liegt und die Länge zwischen zwei Berührungspunkten nicht durch den an den Berührungsstellen herrschenden Druck beeinflußt wird.

Wie oben dargelegt, ist das Füllmaterial gemäß der Erfindung notwendigerweise stark komprimiert, um die Wände gegen den erheblichen äußeren Atmosphärendruck abzustützen, und der hieraus resultierende geringe Anstieg der körperlichen Wärmeleitfähigkeit steht in ausgesprochenem Gegensatz zu der sehr starken Leitfähigkeitszunähme von anderen unter Druck stehenden Materialien, wie feinverteilten Pulverstoffen oder gewöhnlichen Faserstoffen. Der Grund für dieses verschiedene Verhalten liegt darin, daß im komprimierten Zustand die kleinen Pulverkörnchen sich" praktisch an ihrer ganzen Oberfläche berühren. Unter starkem Druck wächst daher bei Pulver die Berührungsfläche sehr stark an und somit auch die körperliche Wärmeleitfähigkeit, da der Wärmestrom praktisch auf kürzestem Wege zwischen den Wänden über die sich berührenden Pulverkörnchen übergeht. Der Weg des Wärmestroms verläuft daher innerhalb eines unter Druck stehenden Pulvers oder gewöhnlichen Faserstoffs so gut wie längs des Temperaturgradienten, während der Weg durch die regellos orientierten Fäden gemäß der Erfindung im wesentlichen in der Richtung der Fäden verläuft, d. h. senkrecht zum Temperaturgradienten. Daher ist das erfindungsgemäße, aus regellos orientierten Fäden bestehende Füllmaterial einem feinverteilten Pulver oder gewöhnlichen Faserstoff in der Anwendung auf einen Vakuumisolationskörper, bei dem das Füllmaterial notwendigerweise unter hohem Druck steht, wesentlich überlegen.

Ein Vergleich der Änderung des Wertes K, d. h. des thermischen Leitfähigkeitskoeffizienten in Abhängigkeit von dem äußeren Druck für pulverförmige oder körnige Stoffe einerseits und des erfindungsgemäßen Füllmaterials andererseits, ist an Hand der Fig. 7 möglich. Dort bedeutet A den Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit eines 80-Maschen-Sandes für verschiedene Werte des äußeren Drucks, während B sich auf Diatomeenerde oder Kieselgur bezieht und C auf das erfindungsgemäße Füllmaterial. Man sieht, daß ohne Druckbeanspruchung die Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit dieser drei Stoffe verhältnismäßig wenig voneinander abweichen. Beim Druck ο hat der 80-Maschen-Sand einen Leitfähigkeitskoeffizienten von etwa 9 · io~⁶ cal/cm ⁰C sec, Di- atomeenerde oder Kieselgur einen Koeffizienten von etwa 12 · 10—⁶ cal/cm ⁰C see und das erfindungsgemäße Füllmaterial einen Koeffizienten von etwa 9 · 10""° cal/cm ⁰C see. Unter dem Druck von einer Atmosphäre, wie er naturgemäß bei den erfindungsgemäßen Platten auftreten muß, nimmt der Koeffizient von Sand auf ungefähr 83 · 10—⁶ cal/cm ⁰C see, d. h. auf den neunfachen Wert zu. Der Koeffizient von Kieselgur wächst auf etwa 52 · io~⁶ cal/cm ⁰C see, d. h. auf mehr als den vierfachen Betrag. Im Gegensatz zu diesen sehr starken Änderungen nimmt der Koeffizient für das erfindungsgemäße Füllmaterial nur auf 10,5 · 10—⁶ cal/cm ⁰C see zu, d. h. nur um ein Sechstel gegenüber dem drucklosen Wert. Man sieht, daß für die Benutzung in Vakuumisolatoren das erfindungsgemäße Füllmaterial gegenüber pulverförmigem oder kornförmigem Material große Vorteile hat.

Der Unterschied zwischen pulverförmigen oder kornförmigen Materialien einerseits und den erfindungsgemäßen Füllmaterialien andererseits für Vakuumisolatoren kann ferner an Hand der Formel für die thermische Leitfähigkeit erläutert werden.

K =

Q-d A-AT

Hierin ist Q die Kalorienzahl je Sekunde, welche eine Fläche A mit einer Dicke d bei einem Temperaturgefälle Δ T durchsetzt. Wenn das Füllmaterial gemäß der Erfindung unter Druck gesetzt

963

wird, sinkt d ohne nennenswerte Zunahme von Q-Bei einer Druckbeanspruchung eines kornförmigen o-ier pulverförmiger! Materials nimmt d wenig ab, Q nimmt jedoch auf ein Mehrfaches zu. Das Füllmaterial gemäß der Erfindung verzögert also den Wärmeübergang, selbst wenn seine Dicke d erheblich abnimmt und *ehr klein ist.

Da-, Füllmaterial für die erfindungsgemäßen Isolierkörper hat terrier gegenüber pulverförmiger!, ίο kernförmigen oder den üblichen faserigen Füllmaterialien hinsichtlich der leichteren Evakuierung bestimmte Vorteile. Pulverteiichen haben das Bestreben, aneinander zn haften und versperren, den Gasaustriit aus dem Inneren des Pulvers, so daß die Evakuierung schwierig wird und längere Pumpzeiten erfordert. Die Gitterstruktur der erfmdungsgemäßen als Füllmaterial dienenden Fäden läßt dagegen zahlreiche Pumpwege für den Gasaustritt frei und erleichtert die Evakuierung des Füllraum es.

Bezüglich der körperlichen Wärmeleitung spielt es ebenfalls eine Rolle, daß die Fäden praktisch in parallelen Ebenen oder Schichten liegen und innerhalb dieser Ebenen regellos orientiert sind und dabei diese Ebenen etwa parallel zu den Wänden sowie senkrecht zur Wärmeübergangsrichtung zwischen den Wänden verlaufen. Man sieht, daß eine dreidimensionale regellose Orientierung der Fäden, bei der viele Fäden senkrecht zu den Wändengo liegen würden, einen kürzeren Wärmeleitungsweg zwischen den Wänden zur Folge haben würde, als er durch den langen und vielfach gewundenen Weg in der Richtung von Fäden gegeben ist, die annähernd parallel zu den. Wänden verlaufen. Natures lieh int bei einem Füllmaterial, welches viele tausend Fäden enthält und in der beschriebenen Weise angeordnet ist, auch hin und wieder ein Faden vorhanden, der zum Teil schräg zu einer Ebene oder Schicht verläuft und durch mehrere solche .j.0 Ebenen oder Schichten hindurchtreten kann. Jedoch ist die Länge eines solchen Fadens bei der Projektion auf eine senkrecht zu den Wänden stehende Ebene sehr klein im Vergleich zu der Gesamtlänge des Fadens, der mit einem über- r iegenden Teil seiner Länge innerhalb einer Ebene liegen wird. Als Beispiel sei genannt, daß bei der Verwendung von Glasfaden mit einer Leitfähigkeit von 2,8 · ίο—³ cal/cm ° C see in parallelen Ebenen und in regelloser Orientierung ein Paket mit einer Dichte von 0,23 g je cm³ zwischen 25⁰ C und 140⁰ C einen Gesamtleitfähigkeitskoeffizienten im Vakuum von 8,8 · 10-⁶ cal/cm ⁰C see zeigte. Wenn dieselben Fäden regellos orientiert waren und dabei ein erheblicher Bruchteil parallel zu der Richtung des Wärmeübergangs (statt senkrecht zu ihr) in einem Probekörper derselben Dichte vorhanden war, so nahm die Wärmeleitfähigkeit auf 6g ■ 10—⁶ cal/cm ⁰C see zu. Es ist also nicht nur das Füllmaterial bei dem erfindungsgemäßen ■»ο Isolierkörper einem feinverteilten oder' pulverförmigen Material überlegen, sondern die Vorteile liegen auch in der erfindungsgemäßen Anordnung 'kr Fäden gegenüber einem fadenförmigen, aber

nicht in der erfmdungsgemäßen Weise angeordneten Füllmaterial. Außerdem ist, da die Härte S₅ des Glases oder des anderweitig verwendeten Materials für die geringe Zunahme der Berührungsfläche zwischen den Fäden unter äußerem Druck von Bedeutung ist, fernerhin klar, daß das erfindungsgemäß verwendete Füllmaterial auch vorteilhaft gegenüber anderen und stärker kompressiblen Materialien als Glas u. dgl. ist. Es sei noch bemerkt, daß in einem üblichen luftgefüllten Isolierkörper mitGlasfibeneinlage, wie sie z.B. in·heutigen Kühlschränken bei Atmosphärendruck verwendet werden, die regellose Orientierung der Fäden innerhalb paralleler Ebenen einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit besitzt. So kann z. B. die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bei dreidimensionaler Orientierung der Fäden (im Gegensatz zur regellosen Orientierung in parallelen Ebenen) ganz ungefähr 5 % betragen. Im Gegensatz dazu kann bei evakuierten Isolationskörpern der Unterschied bei regelloser Orientierung in parallelen Ebenen, wie im obigen Beispiel gezeigt, ganz ungefähr 800% betragen.

Es ist von Interesse, die thermischen Leitfähigkeiten verschiedener Materialien, die heute in Wärmeisolationsanordnungen verwendet werden, unter Atrnosphärendruck, d. h. unter Luft einer- go seits und unter Vakuum andererseits, zu vergleichen. Man könnte vielleicht erwarten, daß bei der Verwendung bekannter Isolationsmaterialien in einem Vakuumisolator sich die Eigenschaften bei allen Materialien etwa im gleichen Verhältnis ändern würden, da die Evakuierung die Wärmeleitfähigkeit im Gase vermindert. Jedoch wurde gefunden, daß die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit für die verschiedenen Materialien nicht annähernd im selben Verhältnis stattfindet, und es wurde ferner gefunden, daß die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit für das gemäß der Erfindung verwendete Füllmaterial viel größer ist als tür andere heute verwendete Isoliermaterialien. Ein Vergleich der verschiedenen Materialien ist an Hand der unten stehenden Tabelle möglich. Die Zahlen in der Tabelle sind die Werte von K (thermische Leitfähigkeit) multipliziert mit io⁶ cal/cm ⁰C see.

	in Luft	im Vakuum
Glasfäden (in parallelen Ebenen regellos orientiert) . .. Gesteinsfäden .........	90 ■ 82	6 bis 10 20 bis 50
Silizium-Aerogel Sil-O-Cel	55- 100 bis 130 110	32 50 110
Vermiculite

Aus dieser Tabelle ist zu ersehen, daß die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit für Materialien wie Gesteinsfäden, Silizium-Aerogel usw. bei der Verwendung in Vakuum verhältnismäßig klein ist. Im

7« 513/117

Gegensatz dazu zeigt ein Füllmaterial aus vielen Glasfaden in parallelen Ebenen und regelloser Orientierung innerhalb dieser Ebenen eine erheblich größere Abnahme der Wärmeleitfähigkeit, nämlich eine Abnahme auf ein Zehntel des Wertes in Luft.

Ein weiterer Faktor, der die Wirksamkeit des Füllmaterials, wie es gemäß der Erfindung verwendet werden soll, beeinflußt, ist die Materialdichte. Wie in Fig. 8 dargestellt, nimmt der Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit mit der Abnahme der Dichte bis auf einen Minimalwert ab, während er für eine weitere Abnahme der Dichte wieder zunimmt. Man sieht aus Fig. 8, daß ein aus Glasfäden mit einem durchschnittlichen Durchmesser von i,5 · io—³ cm bestehendes Füllmaterial im \^rakuum einen Minimalwert der Leitfähigkeit von etwas weniger als g · io~⁶ cal/cm ⁰C see besitzt, wenn das Material eine Dichte von ungefähr 0,25 g je cm³ hat. Wenn die Dichte auf etwa 1,2 g je cm³ gesteigert wird, nimmt der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit auf 20 · 10—⁶ cal/cm ⁰C see zu und nimmt ebenfalls zu, und zwar auf etwa 25 · Kr"⁶ cal/cm ⁰C see, wenn man die Dichte auf 0,05 g je cm³ senkt. Man kann zwar natürlich einen gewissen Bereich der Dichte zulassen, je nachdem, welche Abweichung vom Mindestwert in der thermischen Leitfähigkeit erlaubt wird, jedoch gibt die Kurve 8 eine Beziehung, aus der der optimale Punkt für zwei verschiedene Füllmaterialien der gemäß der Erfindung zu verwendenden Art bei Verwendung von Glasfaden eines durchschnittlichen Durchmessers von 0,325 · 10—³ cm bzw. 1,5 · 10—³ cm entnommen werden kann. Ähnliche Kurven lassen sich für Füllmaterialien von anderen durchschnittlichen Durchmessern gewinnen. Man erkennt, daß der Punkt der geringsten thermischen Leitfähigkeit abhängig von der Dichte und auch von dem Durchmesser der verwendeten Fäden abhängt. Wenn also das Füllmaterial aus Glasfaden besteht, die einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,325 · 10—³ cm haben, erreicht man den Minimalwert des Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von 6 · io~⁶ cal/cm ° C see, wenn die Dichte etwa 0,175 g je cm³ beträgt. J: größer also der Durchmesser der verwendeten Fäden ist, desto· höher ist die Dichte, bei der das Minimum des Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit auftritt. Als praktische Regel folgt also, daß eine Dichte von 0,15 bis 0,2 g je cm³ nötig ist, um gegen Atmosphärendruck abzustützen, so daß also diese Zahl eine praktische, untere Grenze bezüglich der Dichte das verwendeten. Materials darstellt. Die obere Grenze hängt ganz davon ab, welche Abweichung von dem möglichen Minimalwert zugelassen werden kann. Jedenfalls gibt die Fig. 8 eine Beziehung zwischen dem Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit und der Dichte des Füllmaterials, so daß für jede Fadenart eines gegebenen durchschnittlichen Durchmessers der Minimalwert des Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit und die optimale Dichte bestimmt werden kann.

Wie weiter oben erwähnt, sind Vakuumisolatoren, z. B. Dewar flaschen, ohne Füllmaterial benutzt worden, wobei die Querschnitte im allgemeinen kreisförmig waren, so daß die Wände dem äußeren Druck standhalten konnten. Abgesehen davon, daß derartige Anordnungen nur in der Beschränkung auf bestimmte Gefäßformen möglich sind, bestehen aber auch noch andere Beschränkungen hinsichtlich der praktischen Anwendung solcher Anordnungen in Haushaltskühl schränken u. dgl. Um die Isolationsfähigkeit aufrechtzuerhalten, muß nämlich der Druck wenigstens auf ι Mikron Quecksilbersäule gehalten werden. Bei der Massenherstellung von verhältnismäßig großen Gegenständen, wie Haushaltskühlschränken u. dgl., bei denen Vakuumisolierkörper zur Erhöhung des Fassungsvermögens nützlich sein könnten, ist die Herstellung und Aufrechterhaltung dieses sehr niedrigen Druckes schwierig, weil eine sehr sorgfältige Evakuierung nötig ist und diese hohen Vakuumgrade durch Gasausbrüche aus dem Metall der Wände später verschlechtert werden können. Das erfindungsgemäß zu verwendende Isoliermaterial vermeidet diese Schwierigkeit, wie aus Fig. 6 hervorgeht, in welcher der wirksame Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit von Füllmaterialien mit einem durchschnittlichen Fadendurchmesser von 0,325 · io~³ und 1,5 · io~~³ cm über dem Innendruck aufgetragen ist." Fig. 6 zeigt, daß bei 0,325 · io~~³ cm Fadendurchmesser der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit sehr wenig zunimmt, bis ein Druck von 1000 Mikron Quecksilbersäule erreicht ist. Bei 1,5 · 10—³ Fadendurchmesser nimmt bis über 100 Mikron der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit sehr wenig zu. Daher können bei der erfindungsgemäßen Anordnung Drucke von etwa 100 Mikron an Stelle von 1 Mikron zugelassen werden, ohne daß die Wärmeisolation sich verschlechtert. Wie oben bemerkt, ist dies von besonderer Bedeutung, wenn der Isolationskörper im Massenherstellungsverfahren fabriziert werden soll und wenn die Wände im Gegensatz zu Glaswänden von Dewargefäßen aus Metall bestehen, die während langer Zeiten gewisse Gasmengen abgeben und daher den Druck im Vakuumraum ansteigen lassen können.

Man sieht aus Fig. 8, daß bei thermischen Isolationsanordnungen der erfindungsgemäßen Art der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit für eine gegebene Dichte mit dem Durchmesser der Fäden ansteigt. Die Wirksamkeit des Fadenmaterials bezüglich der Wärmeisolation nimmt mit abnehmendem. Fadendurchmesser bis zu den kleinsten heute verfügbaren Fäden zu. Als spezielles Beispiel. sei genannt, daß Wärmeisolatoren gemäß der Erfindung mit geringer Wärmeleitfähigkeit unter Verwendung von Fäden aus iao Glas mit einem Durchmesser von 2,5 · 10—³ cm oder weniger gebaut werden können. Wenn Fäden mit sehr verschieden großem Durchmesser und derselben Isolierfüllung verwendet werden, führt dies zu einer Überbrückung mancher Fäden, so daß dort dann kein Kontakt für die körperliche

Wärmeleitung zustande kommt. Um die Zunahme an Kontaktfläche, die unter dem äußeren Druck stattfindet, möglichst gering zu halten, werden die Fäden aus hartem Material, z. B. aus Glas, hergestellt. Als Beispiel sei erwähnt, daß Glasfäden mit einem Young-Wert von 492 · —⁶ g je cm² oder mehr gut verwendbar sind. Natürlich ändert sich die körperliche Leitfähigkeit des Füllmaterials mit der Leitfähigkeit des Materials, aus dem die Fäden bestehen. Als ein weiterer Zahlenwert sei erwähnt, daß die thermische Leitfähigkeit des Fadenmaterials vorzugsweise weniger als 0,0035 cal/cm ° C see betragen soll. Die Zugfestigkeit der Fäden muß so hoch sein, daß unter atmosphärischer Belastung nur wenige Fäden brechen. Viele Fadenbrüche wurden die Umwandlung des Fadenmaterials in ein Material, das annähernd die Eigenschaften eines Pulvers oder eines koirnförmigen Fülknaterials hat, herbeiführen.

Die Zugfestigkeit soll beispielsweise wenigstens 105 · io²g je cm² betragen.

Die Länge der Fäden kann innerhalb eines weiten Bereichs schwanken, jedoch soll ' die Minimalmenge noch genügend groß sein, um mehrere nebeneinanderliegende Fäden zu überbrücken, so daß die Fäden sich nicht verschieben und bei der Handhabung vor der Kompression die gewünschte Orientierung beibehalten.

Wie oben erwähnt, können gewisse im Handel befindliche Isoliermaterialien als Füllstoffe verwendet werden, wenn man ,sie zwischen den Wänden in der erfindungsgemäßen Weise anordnet. Es sei bemerkt, daß solche handelsüblichen Materialien gewisse Bindemittel und gewisse Schmiermittel enthalten. Es wurde gefunden, daß zur Erreichung der besten Isolationswirkung des fadenförmigen Füllmaterials Bindemittel und Schmiermittel vermieden werden müssen, d. h. daß die Oberflächen der Fäden sauber sein müssen. Die Füllmaterialien gemäß der Erfindung haben bei einer Belastung durch eine Atmosphäre Außendruck einen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit von 10,6 ■ 10—⁶ cal/cm ° C see. Bei Zusatz eines Schmiermittels, wie es üblicherweise in heutigen Kühlschränken verwendet wird, ist dieser Wert bis auf 17,8 · io""⁶ gestiegen. Ebenso hat ein Füllmaterial mit einer Leitfähigkeit von etwa 10 · io~~⁶ durch Zusatz eines üblichen Bindemittels eine Leitfähigkeit von etwa 20 ■ io~⁶ angenommen.

Ferner haben Schmiermittel und Bindemittel die Eigenschaft, Gase abzugeben, so daß der Druck in dem Isolierkörper erheblich erhöht wird und die Isolationswirkung, die von der Aufrechterhaltung eines verhältnismäßig geringen Drucks abhängig ist, sinkt.

Bei dem beschriebenen Isolierkörper wird die Wärmeleitung im Gase durch eine Evakuierung auf einen Druck, bei dem die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle groß gegenüber der Porengröße des Füllmaterials ist, auf einem Minimalwert gehalten. Die körperliche Leitfähigkeit des Füllmaterials wird dadurch auf einen Minimalwert gebracht, daß man ein Füllmaterial benutzt, welches aus vielen dünnen Fäden aus Glas oder einem ähnlichen Stoff besteht, die in einer Viel- 6g zahl von praktisch parallelen Ebenen liegen und innerhalb dieser Ebenen regellos orientiert sind. Diese Ebenen verlaufen etwa in der Richtung der Wände und somit senkrecht zur Richtung des Wärmeübergangs zwischen den Wänden. Für den körperlichen Wärmeübergang entstehen daher lange vielfach gewundene Wege. Der Wärmeübergang durch Strahlung wird ebenfalls durch das verwendete Füllmaterial auf einem Minimalwert gehalten. Jede der parallelen Ebenen bildet eine Fläche, welche den Wärmeübergang durch Strahlung vermindert. Da der Wärmeübergang durch Strahlung sich mit der vierten Potenz der Temperaturdifferenz ändert, fällt der Wärmeübergang durch Strahlung tatsächlich dann sehr klein aus, wenn man eine Vielzahl von parallelen Ebenen oder Schichten von regellos orientierten Fäden vorsieht und somit den Raum zwischen den Wänden in viele kleine Teile zerlegt, in denen die Temperaturdifferenz klein ist gegenüber der ganzen ander Platte liegenden Temperaturdifferenz.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Thermischer Isolationskörper, bestehend aus einem abgeschlossenen evakuierten Behälter, der zwei parallele biegsame Wände aufweist, zwischen denen ein Füllmaterial aus Faserstoff liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstoff (4) aus Fäden eines harten Materials geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, die in zu den Wänden (1, 2) parallelen Ebenen regellos angeordnet sind.

2. Isolationskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (4) aus Glas bestehen, eine Mindestzugfestigkeit von 105 · ι o² kg/cm² und weniger als 2,5 · io~³ cm Durchmesser haben.

3. Isolationskörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllmaterialkörper eine Dichte zwischen 0,15 g/cm³ und 0,4 g/cm³ hat.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 592047, 665319; französische Patentschrift Nr. 758 370.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©609 707/189 11.56 709 513/117; 5.57