Die Erfindung betrifft eine thermische Isolation zum Einbringen zwischen zu isolierende Gebilde, Flächen, Bauteilwandungen, u. a.

In vielen technischen Anwendungsgebieten besteht oftmals das Problem, daß Flächen, Bauteile, oder Wände zwischen denen ein Temperaturgradient herrscht, voneinander isoliert werden müssen. Insbesondere besteht dieses Problem in Wärmebehandlungsanlagen wie zum Beispiel in Hochtemperaturöfen. In Hochtemperaturöfen die mit Luft betrieben werden, werden üblicherweise faserähnliche Stoffe zur thermischen Isolation eingesetzt. Diese Werkstoffe besitzen ein ausgezeichnetes thermisches Isolationsvermögen, zeigen jedoch den Nachteil, daß während der Nutzung feinste Faserbestandteile freigesetzt werden. Derartige Faserbruchstücke zeigen gesundheitsschädigende Wirkungen und führen infolge von Faserablagerungen auf dem Glühgut zur Schädigung der Produkte. Neben der thermischen Isolation am Ofenbau spielen derartige Materialien bei der Wärmeisolation von Gebäuden ein Rolle. Bei weiteren technischen Anwendungsbereichen ist eine hochwirksame thermische Isolation nur mit hohem herstellungstechnischen Aufwand möglich. Dies beruht darauf, daß üblicherweise ein Vakuum zwischen zwei voneinander zu isolierenden Flächengebilden notwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine thermische Isolation anzugeben, die sehr gute Eigenschaften besitzt und die gleichzeitig technisch einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen.

Die vorgeschlagene Lösung sieht vor, daß Silizide, Silizid-Komposite, Metalle und Intermetalle und deren Legierungen, Keramik und G ! äser in Form von Hohikugeln eingesetzt werden. Dabei ist es wesentlich, daß das Verhältnis des Durchmessers der Hohikugel zu ihrer Wandstärke zwischen 5 und 300 beträgt. Die Hohlkugetn werden zwischen zwei Fiachen, die von einander isoliert werden sollen lose geschüttet, oder miteinander durch Sinterkontakte verbunden, eingegeben. Diese voneinander zu isolierenden Flächen oder Gebilde stellen gleichzeitig die Begrenzungsflächen der thermischen Isolation dar. Die verwendeten Hohlkugeln besitzen den Vorteil, daß eine geringe Dichte der Isolation erreicht wird, sie liegt zwischen 0,1 und 1,5 g/cm3. Durch Verwendng gasdichter Hohlkugeln, bei denen das Verhältnis zwischen dem Innendruck und dem Luftaußendruck bei Raumtemperatur 0 bis 0,1 liegt wird die Konvektion, d. h. der Wärmetransport tuber Gasbewegung stark reduziert. Durch den Einsatz von Siliziden und Silizid-Kompositen als Grundmaterial für derartige Hohikugeln, wird die Möglichkeit geschaffen im Bereich der Hochtemperaturofen-technik einen faserfreien Isolationswerkstoff herzustellen, der in seiner Einsatztemperatur bis etwas 1800 °C an Luft einsetzbar ist. Aus Kostengründen und bei niedrigeren Einsatztemperaturen werden Metalle, Legierungen, Gläser und Keramiken eingesetzt.

Besonders hohe Temperaturgradienten entstehen zwischen dem tnnenraum und dem Gehäuse eines Wärmebehandlungsofens. Die aus Hohikugeln bestehende thermische Isolation eignet sich zum Einsatz bei derartigen Ofen besonders gut. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auskleidung des Ofeninnenraumes aus dem gleichen Werkstoff besteht wie die Hohlkugeln. Bestimmte Arten von Wärmebehandlungsöfen sind mit Strahlungsabschirmblechen zur thermischen Isolation versehen. Durch das Verfüllen der vorliegenden Blechzwischenraume mit Hohlkugeln gleichen Werkstoffs, wird eine Verbesserung der Wärmeisolation erreicht.

Eine weitere Verbesserung der Isolationseigenschaften wird dadurch erreicht, daß die Oberflächen der Strahlungsabschirmbleche und der Hohikugeln mit reflektionsverändernden Schichten versehen werden. Wegen der meistens nicht übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten des Basiswerkstoffs und der Reflektionsschicht ist eine ausdehnungsanpassende Zwischenschicht vorgesehen, die gleichzeitig als Sauerstoffdiffusionsbarriere wirken kann. Die Zwischenschichten werden in ihren Eigenschaften den Werkstoffeigenschaften der Hohlkugeln und der äußeren Reflektionsverändernden Schicht angepasst. Beispielhaft bestehen sie im Falle einer Zr02.

Außenschicht aus einer Metall-Chrom-Aluminium-Yttrium Verbindung besteht. Diese Zwischenschicht verhindert eine weitere Oxidation des Basiswerkstoffes.

Insbesondere in Hochtemperaturluftöfen und im Falle von möglichen Wechselwirkungen der Werkstoffe mit der Atmosphäre gelingt es, durch bestimmte keramische Einlagerungen Schädigungen der Werkstoffe auszuschließen.

Die Hohlkugeln aus Silizide und Silizid-Kompositen sowie aus Keramiken werden im Wege pulvertechnologischer Verfahren hergestelit. Metallische Hohlkugeln sind sowohl auf dem pulvermetallurgischen Wege als auch über galvanische Prozeße herstellbar.

Strahlungsabschirmbleche können sowohl pulvertechnologisch (Silizide, Silizid-Komposite und Keramiken) als auch guß-oder verformungsmetallurgisch (Metalle) hergestellt werden. Eine besondere Möglichkeit, Strahlungsabschirmbleche als dünnwandige Bleche herzustellen ist das Foliengießen mit anschließendem Entbindern und Sintern. Ebenso anwendbar sind das Metallpulverspritzgießen und das Extrudieren.

Typische Wandstärken für Hohikugeln und Strahlungsabschirmbleche liegen zwischen 10 und 5000Nm. Als besonders vorteilhaft haben sich Wandstärken von 50 bis 1000um herausgestellt.

Die Verwendung von Siliziden und Silizid-Kompositen ist besonder vorteilhaft bei der Hestellung von Hohlkugeln die unter Luftatmosphäre in Hochtemperaturöfen eingesetzt werden. Silizid und Silizid-Kompositen bilden bei hohen Temperaturen und Luftatmophäre die eine vortschreitende Oxidation im Innern der Hohikugel verhindern. Im Falle der Verwendung von metallischen Hohlkugein und metallischen Strahlunsabschirmblechen, die unter oxidativer Atmosphäre betrieben werden, sind Beschichtungen aus oxidationsschützenden Silizidschichten vorgesehen.

Zur funktionsbedingten Anpassung können diese gradiert aufgebaut sein. Dies ist insbesondere dann der Fall wenn einerseits eine Anpassung des Ausdehungskoeffizienten an den Grundwerkstoff und andererseits die Anpassung an die chemische Reaktivität der Umgebung erreicht werden soll.

Anstelle von Silizidschichten können auch direkt hochschmeizende Gläser verwendet werden, die aus hochschmeizenden Oxiden bestehen, wie Y203, Zr02, HF02 und ähnlichen alleine oder in der Mischung mit Si02.

Schichten aus hochschmeizenden Gläsern sind auch im Falle von dünnwandigen Silizidhohikugeln vorgesehen, da diese selbstständig keine ausreichend dicke Glasschicht bei hohen Temperaturen und bei Luftatmosphäre bilden.

Nachfolgende Verfahren zur Herstellung von funktionellen Beschichtungen der Hohikugeln und Strahlungsabschirmblechen haben sich als vorteilhaft erwiesen : Schlickergießen, Eintauchen in Schlicker und Sintern, thermische Spritzverfahren, sowie Naßpulverspritzen.

Die Hohlkugein können durch Sintern zu Halbzeugen in Form von plattenahnlichen Bauteilen verbunden werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, die Kugelhaufwerke direkt mit Strahlungsabschirmblechen zu verbinden.

Die Erfindung wird anhand von nachfolgenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1 : Mo-und Si-Pulver werden in einer Hochenergiemühle zu einem feindirspersen Kopmositpulver gemahlen, wobei die Elemente Mo und Si vorzugsweise laminar verteilt sind und die lamellenabstände einige 10nm betragen (DE 44 18 598). In dieses Pulver, daß aus Agglomeraten besteht, die einige um im Durchmesser betragen, wird SiC-Putver (Teilchengröße ca. 1 bis 10 um) zugesetzt und bis zur homogenen Verteilung in den Agglomeraten gemischt. Aus der Mo-, Si-und SiC Mischung werden duch Pressen und Sintern Bleche mit einer Dicke von ca. 1 mm hergestellt. Entsprechend der Konstruktion gemäß Figur 2 erfolgt der Zusammenbau der Strahlungsabschirmbleche, wobei weitere erforderlichen Konstruktionsteile (Stäbe, Stifte, Winkel, etc.) aus dem gleichen Werkstoff, d. h. den gleichen Ausgangspulvern durch pressen, sintern und Fertigbearbeitung gefertigt werden. Ebenfalls aus den gleichen Ausgangspulvern werden über Naßpulver-Wirbelschichtverfahren Styroporkugeln mit einer Suspension, bestehend aus, dem o. g.

Ausganspulver, einem organischen Losemitel Bindern, beschichtet. Nach dem Trocknen werden die so entstandenen Kugeln durch hinreichend langsames Aufheizen (2 K/min) auf 1000 °C unter einer Ar-Wasserstoff-Mischung (6,5 vol-% Wasserstoff) entbindert. Danach erfolgt das Aufheizen (10 K/min) auf 1600 °C unter Vakumm. Nach einer Haltezeit von 60 min liegen Hohlkugein mit einer Wandstärke von 200 pm vor. Diese werden zwischen die oben beschriebenen Strahlungsabschirmbleche geschuttet.

Beispiel 2 : Unter Verwendung von feien, sinterbaren Pulvern (ca. 10 zm) aus einer schlecht wärmeleitenden Cr-Ni-Legierung wird der im Beispiel 1 beschriebene Weg zur Herstellung von Hohikugelrohlingen durch Beschichtung von Styroporkugeln mit einer Metallpulver-Binder- Suspension angewendet. Nach dem Trocknen werden die Teile unter Argon-Wasserstoff in der oben beschriebenen Weise entbindert und anschließend bei 1270 °C im Hochvakuum gesintert, bis eine geschlossenporige Wandstruktur vorliegt und somit gasundurchlässige Hohlkugeln entstanden sind. Nachdem diese Hohikuglen mit anderen Hohlkugeln passenden Durchmessers vermischt wurden, die eine maximale Raumausfüllung erlauben, werden diese Mischung zwischen die innere und äußere Wand einer Isolierkanne gegeben. Auf diese Weise gelingt es, eine Vakuumisolation als thermische Isolation zu erreichen, ohne daß die übliche zerbrechlichen Glaskolben verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den nachfolgenden Figuren dargestellt : Fig. 1 : Hochtemperaturmuffelofen ausgekleidet mit Mo-Silizid Strahlungsabschirmbelchen.

Fig. 2 : Hochtemperaturluftofen isoliert mit Strahlungsabschirmblechen mit Mo-Silizid- Kompositen.

Fig. 3 : Hochtemperaturluftofen isoliert mit Strahlungsabschirmblechen und Hohikugelhalbzeugen aus Mo-Silizid-Kompositen.

Fig. 4 : Eine Darstellung des Prinzips der Strahlungsabschirmung für unbeschichtete Hohlkugeln.

Fig. 5 : Detail"A"der Fig. 4 Fig. 6 : Detail"A"der Fig. 4 wobei die Hohikugel beschichtet ist Fig. 7 : Detail"A"der Fig. 4 wobei die Hohikugel mit einer reflektierenden und einer haftvermittelnden Schicht beschichtet ist.

Fig. 8 : Anordnung von Silizid-Hohikugeln und Silizid-Abschirmblechen als thermische Isolation.

Fig. 9 : Ein Ausschnitt aus einer Hohikugelschüttung mit beschichteten Hohlkugeln.

In Fig. 1 ist ein Hochtemperaturmuffelofen der Luft ais Prozessgas verwendet, dargestellt. Der Ofen weist ein Gehäuse 1 auf, das mit Lüftungschlitzen 2 und 3 versehen ist, zum Zweck der Konvektionskühlung. Der Ofen steht auf Füßen 4, die ein Luftzutritt von unten ermöglichen. Die thermische Isolation erfolgt durch Fasermatten 19 im äußeren Bereich der Muffe ! 1 1 und durch keramische Leichtsteine 6, die die Muffel 11 bilden. Der Ofen wird durch einen Heizer 7 elektrisch beheizt eine Regelung und Einspeisung erfolgt mittels Stromversorgung 8. Die Blechumhüllung 5 sorgt für die Verminderung des Faserfluges aufgrund der Konvektionsluft zwischen dem Gehäuse 1 und der Blechumhüllung 5. Die innere Muffel 11 ist mit einem Silizidabschirmblech 10 ausgekleidet. Während des Betriebes der Anlage wird nunmehr verhindert, daß bei raschen Temperaturwechseln oder bei anderen Prozessen Partikel abgelöst werden und auf das Glühgut 9 fallen und dieses schädigen.

In Fig. 2 ist ein Hochtemperaturofen dargestellt, bei dem die thermische Isolation Strahlungsabschirmbleche 12,13 unterschiedlicher Größe aufweist. Die Stützstäbe 14,15 für die Strahlungsabschirmbleche 12,13 sind ebenso wie diese aus Silizid-Komposit gefertigt. Durch die Anordnung der Strahlungsabschirm 12,13 wird erreicht, daß die Wärmestrahlung nicht direkt auf das Gehäuse 1 trifft, vielmehr sorgen mehrere Lagen der Strahlungsabschirmbleche dafür daß eine geringe Erwärmung des Gehäuses 1 auftritt und damit eine hochwirksame thermische Isolation erreicht ist.

Der in Fig. 3 dargestellte Ofen entspricht in seinem grundsätzlichem Aufbau dem Ofen der Fig. 2.

Der Raum zwischen dem äußersten Strahlungabschirmblech 16 und dem Gehäuse 1 ist mit einer Schüttung 17 aus Hohlkugeln 18 eines Silizidwerkstoffs gefüllt. Die Schüttung ist in diesem Fall in Form von Halbzeugen 17 als plattenförmige Bauteile dargestellt. Durch die Halbzeuge 17 wird erreicht, daß der äußere Bereich des Ofens ähnlich dem eines Vakuumofens isoliert ist, weil die Hohikugeln 18 den größten Teil des Volumens ausmachen und in ihrem Innern evakuiert sind.

Diese zusätzliche thermische Isolation sorgt dafür, daß die Wärmeübertragung nach außen drastisch vermindert wird.

In Fig. 4 ist schematisch ein Hochtemperaturofen dargestellt. Dieser weist Heizelemente 7, und eine HohlkugeischOttung als Halbzeug 17 auf. Diese Figur zeigt die Stahlungsverhältnisse in der Muffel 11, insbesondere die vom Heizer 7 auf die Hohikugelschüttung 17 einfallende Strahlung, die geringfügig an den Hohlkugeloberflachen 18 reflektiert wird. Der Grad der Reflektion hängt wesentlich von der Oberflächenbeschaffenheit der Hohlkugel 18 ab.

In Fig. 5 sind die Strahlungsverhältnisse zwischen der Heizeroberfläche gegenüber der Hohikugeloberfläche dargestellt. Die vom Heizer 7 ausgehende und auf die Hohlkugeloberfläche 18 einfallende Strahlung wird nur zu einem Bruchteil reflektiert, da der Refiektionsgrad des verwendeten Materials gering ist. Durch die Wandung 21 der Hohikugel 18 dringt ein Wärmestrom, der ein Strahlungsfeld zur Innenseite der Kugel verursacht.

Aus Fig. 6 ist deutlich entnehmbar, daß auch eine glasige Oxidschicht 22 die reflektierte Strahlung kaum beeinflußt, so daß an der Innenseite der Hohlkugel 18 die gleiche Abstrahlung wahrgenommen werden kann.

Gemäß Darstellung der Fig. 7 weist die Wandung 21 der Hohikugel 18 zwei funktionelle Schichten 23,24 auf. Die Schicht 24 besitzt einen hohen Reflektionsgrad, was dazu führt, das die vom Heizer 7 einfallende Strahlung zu ca. 50 Prozent reflektiert wird. Der an der Innenseite der Hohlkugel 18 abgestrahlte Anteil beträgt demgemäß ebenfalls ca. 50 Prozent. Insbesondere handelt es sich bei der Schicht 24 um Zr02, ein Material, das neben einem hohen Reflektionsgrad eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Da die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe für die Hohlkugel 18 und die äußere Schicht 24 stark unterschiedlich sind, ist eine Zwischenschicht 23 erforderlich die diesen Unterschied als ausdehnungsanpassende Schicht ausgleicht. Darüber hinaus verhindert die Zwischenschicht 23, daß Sauerstoff bis zur Hohlkugel 18 eindringt. Als Material für die Schicht 24 ist eine Metall-AI-Cr-Y Legierung vorgesehen.

In Fig. 8 sind Strahlungabschirmbleche 12,13 sowie eine zwischen diesen befindliche lose Hohlkugelschüttung 25 dargestellt. Diese Anordnung verbindet einerseits die Abschirmung der Wärmestrahlung und andererseits vermindert sie den Anteil der Konvektion an der Wärmeübertragung über die Hohikugelschüttung 25.

Bei den Figuren 4 bis 8 handelt es sich um Ausführungsformen der thermischen Isolation von Hochtemperaturöfen.

Fig. 9 zeigt Hohlkugein 18 aus einer Hohtkugeischüttung 25 die sich nur punktförmig (Punkte 26) berühren. Dies hat zur Folge, daß der Anteil der Wärmeleitung über Festkörperkontakte minimiert wird. Da es sich um eine Schüttung handelt, die aus kugelförmigen Körpern besteht, berühren sich diese bei einer losen Schüttung immer nur punktförmig, wobei bei anderen Körperformen die punktförmige Berührung neben flächigen Kontakten auftritt. Das bedeutet, daß die Gesamtfläche, die eine hohe Wärmeübergangszahl besitzt, minimiert ist. Die Wärmeübergänge, Gas-Festkörper tragen wesentlich weniger zum Wärmetransport bei. Eine weitere Verringerung des Wärmetransportes wird dadurch erreicht, daß die Außenschicht 24 der Hohlkugel 18 aus einem Material besteht, daß eine sehr schlechte Wärmeleitung besitzt. Bei Verwendung von Hohlkugelhalbzeugen 17 bei denen die Hohlkugein 18 durch Sinterkontakte miteinander verbunden sind, liegen geringfügig ungünstigere Wärmeübergangszahlen gegenüber der losen Hohikugelschüttung vor. Die Hohikugelhalbzeuge 17 besitzen jedoch den Vorteil einer einfacheren Handhabung.