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Title:
ELECTRICALLY DECOUPLED HIGH-TEMPERATURE THERMAL INSULATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/175594
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an insulation element (1) for the thermal insulation of an inductively heatable high-temperature treatment zone (2), wherein a wall of the insulation element (1) contains a flat material (3), the resistivity of which is ρF 10-5 to 10-1Ωm and which encloses a hollow space (4) extending through the insulation element (1) and comprises a discontinuity (5), in which the resistivity ρU is greater than ρF, wherein the discontinuity (5) extends from the external surface (6) of the flat material (3) into the flat material (3) but does not interrupt the flat material (3) over the entire cross section (8) of the flat material.

Inventors:
EISELT FRANK (DE)
JOKANOVIC BOJAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/053889
Publication Date:
September 10, 2021
Filing Date:
February 17, 2021
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Assignee:
SGL CARBON SE (DE)
International Classes:
F27D1/00; F27D99/00
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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).

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/cm 3 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 p F 10 5 bis 10 1 Qm beträgt, einen sich durch das Isolationselement hindurch erstreckenden Hohlraum umgibt, und eine Unterbrechung umfasst, in der der spezifische elektrische Widerstand p u größer ist als P F , 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 p F des Flachmaterials beträgt 10 5 bis 10 1 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 10 5 bis 10 1 Qm wählen. Denn im Zusammenhang mit dieser Erfindung durchgeführte Simulationen deuten klar darauf hin, dass Flachmaterialien mit spezifischem elektrischem Widerstand im Bereich von 10 5 bis 10 1 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 10 5 bis 10 1 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 p F . 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 L t worin

L t 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,

L u 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 r u mindestens 100 p F , insbesondere mindestens 1000 p F , z.B. mindestens 10000 p F . Der spezifische elektrische Widerstand von Luft liegt in der Größenordnung von >~ 10 14 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 p F . Jedoch wird die gewünschte Umlenkung des im Flachmaterial induzierten, elektrischen Stromes um die Unterbrechung immer erreicht, wenn p u deutlich höher ist, als p F . 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 p u mindestens 100 p F ohne jede Schwierigkeit erzielen, denn bei einem typischen Carbonfaserfilz beträgt p F circa 10 3 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 Wnr 1 K 1 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 p F 10 5 bis 10 1 Qm beträgt, und eine Unterbrechung umfasst, in der der spezifische elektrische Widerstand pugrößer ist als p F , 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 p F im Bereich von 10 5 bis 10 1 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 1 K 1 ) gebildet. Dessen spezifischer elektrischer Widerstand p F beträgt 10 5 bis 10 1 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 r u der Unterbrechungen 5 ist wegen der darin befindlichen Luft und den durchtrennten Carbonfasern um eine vielfaches größer, als der spezifische elektrische Widerstand p F 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 L t gilt, wenn a 2 beträgt. Figur 1C veranschaulicht L u . L u 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 L u ca. 3 mal L t 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