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Dokumentenidentifikation DE60015217T2 02.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001041003
Titel Wärmeisolierungswerkstoff
Anmelder Nichias Corp., Tokio/Tokyo, JP;
Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Takeda, Fumihito, Minato-ku, Aichi-ken, JP;
Yamashita, Masayuki, Minato-ku, Aichi-ken, JP;
Ogawa, Junichi, Hamamatsu, Shizuoka-ken, JP;
Anji, Toshiyuki, Hamamatsu, Shizuoka-ken, JP;
Kawasaki, Yoshihiro, Hamamatsu, Shizuoka-ken, JP
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Aktenzeichen 60015217
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 22.03.2000
EP-Aktenzeichen 003023496
EP-Offenlegungsdatum 04.10.2000
EP date of grant 27.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.02.2006
IPC-Hauptklasse B64G 1/58(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse F16L 59/02(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      F42B 15/34(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmedämmungsmaterial, das eine außerordentlich niedrige Wärmeleitfähigkeit im Vakuum und Flexibilität hat, und betrifft insbesondere ein Wärmedämmungsmaterial, das zum Dämmen eines Körpers einer Raumfähre, einer Rakete usw. geeignet ist.

Bisher ist für diese Art von Wärmedämmungsmaterial in der Veröffentlichung JP-A-Sho 59–106954 eine wärmedämmende Konstruktion vorgeschlagen worden, bei der ein Kernelement, das aus angesammelten wärmebeständigen anorganischen Fasern besteht und beim Nähen nicht verformt wird, zwischen einem hochtemperaturseitigen Hautelement und einem niedertemperaturseitigen Hautelement, die aus einem wärmebeständigen anorganischen Textilfasererzeugnis bestehen, angeordnet wird, und diese drei Elemente werden unter Verwendung eines Garns aus wärmebeständigen anorganischen Fasern zu einem einzigen Körper zusammengenäht.

Eine solche wärmedämmende Konstruktion hat jedoch nicht nur den Nachteil, daß Nähte leicht verschoben werden, so daß es nicht möglich ist, ein Verstreuen von das Kernelement bildendem Material zu verhindern, sondern hat auch den Nachteil, daß die Hautelemente bildenden Fasern sich häufig lösen, so daß die Konstruktion leicht zerstört wird, da Seitenwandteile der Konstruktion nur unter Verwendung von Nähfaden genäht werden.

Da außerdem das Kernelement, das aus angesammelten wärmebeständigen anorganischen Fasern besteht, eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit im Vakuum hat und die Wärmeleitfähigkeit ferner durch Einflüsse des Nähfadens und von beim Nähen gebildeten Nadellöchern erhöht wird, ist es erforderlich, daß die Dicke zum Dämmen groß ist, und somit besteht ein Nachteil darin, daß das Wärmedämmungsmaterial schwer sein sollte. Die JP 10–246391A betrifft ein flexibles Wärmedämmungsmaterial vom druckbeständigen Typ.

Die vorliegende Erfindung dient dem Ziel, die vorstehend genannten Nachteile der wärmedämmenden Konstruktion zu beseitigen, und sie gibt ein Wärmedämmungsmaterial an, bei dem ein Kernelement, das eine Ansammlung von wärmebeständigen anorganischen Fasern aufweist, zwischen einem hochtemperaturseitigen Hautelement und einem niedertemperaturseitigen Hautelement, die aus einem wärmebeständigen anorganischen Textilfasererzeugnis bestehen, angeordnet ist, wobei diese drei Elemente gemäß der Erfindung zu einem einzigen Körper ausgebildet sind, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandteile des Kernmaterials mit dem hochtemperaturseitigen Hautelement bedeckt sind und daß das Kernelement 100 Gew.-Teile wärmebeständige anorganische Fasern und 15 bis 50 Gew.-Teile SiC-Pulver und/oder SiC-Whisker aufweist.

1 ist eine Perspektivansicht eines Wärmedämmungsmaterials, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht des Wärmedämmungsmaterials;

3 ist ein Diagramm, das Meßergebnisse der Wärmeleitfähigkeit des Kernelements angibt; und

4 ist eine Perspektivansicht eines Wärmedämmungsmaterials, die eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 1 und 2 gezeigt ist; wird ein Wärmedämmungsmaterial dadurch gebildet, daß ein Kernelement, das eine Ansammlung von wärmebeständigen anorganischen Fasern aufweist und beim Nähen nicht verformt wird, zwischen einem hochtemperaturseitigen Hautelement 1 und einem niedertemperaturseitigen Hautelement 2 angeordnet wird, die aus einem wärmebeständigen anorganischen Textilfasererzeugnis bestehen, und daß diese drei Elemente unter Verwendung eines Fadens aus wärmebeständigen anorganischen Fasern zu einem einzigen Körper zusammengenäht werden, bei dem das hochtemperaturseitige Hautelement 1 so umgebogen wird, daß es ein Abdeckteil 1a bildet, das Seitenwandteile des Kernelements umschließt, und SiC-Pulver und/oder SiC-Whisker mit den angesammelten Fasern vermischt und unter Verwendung eines organischen Bindemittels gehärtet werden/wird, um das Kernbindemittel zu bilden.

Es wird kein Material des Kernelements verstreut, und eine Zerstörung desselben kann aufgrund der Tatsache verhindert werden, daß das Kernelement 3 von dem Abdeckteil 1a des hochtemperaturseitigen Hautelements 1, welches seine Seitenwandteile umschließt, bedeckt ist. Es wird bevorzugt, das organische Bindemittel in dem Kernelement durch Erwärmen nach dem Nähen abzubauen und zu entfernen. Man kann jedoch auch abwarten, bis es im Verlauf des Gebrauchs durch Wärme abgebaut wird.

Ein Textilerzeugnis mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit, wie etwa Aluminiumoxid-Endlosfasergewebe, Siliciumdioxidgewebe usw. wird für das hochtemperaturseitige Hautelement 1 verwendet. Dagegen können Glasfasern, deren Wärmebeständigkeit nicht so ausgezeichnet ist, die jedoch billig sind, für das niedertemperaturseitige Hautelement 2 verwendet werden. Ferner wird ein Faden aus anorganischen Fasern, die eine Wärmebeständigkeit haben, die ebenso hoch oder höher als diejenige des hochtemperaturseitigen Hautelements 1 ist, als Nähfaden 4 verwendet, der benutzt wird, um diese Elemente zu einem einzigen Körper zusammenzunähen.

Ein beutelförmiges Abdeckelement 5 kann im voraus gebildet werden, wie in 4 gezeigt ist, so daß das hochtemperaturseitige Hautelement 1 und das niedertemperaturseitige Hautelement 2 gemeinsam das Kernelement 3 umschließen, und das Kernelement 3 wird darin angeordnet, um einen einzigen Körper zu bilden.

Wenn dabei das beutelförmige Abdeckelement 5 solche Dimensionen hat, daß das Kernelement 3 gerade darin untergebracht werden kann, ist es nicht erforderlich, es durch Nähen mit dem Abdeckelement 5 zu verbinden. Selbstverständlich können das Kernelement 3 und das Abdeckelement 5 durch Nähen oder haftendes Verbinden zu einem einziger Körper ausgebildet werden können.

Ferner können bei den in den 2 und 4 gezeigten Konstruktionen das hochtemperaturseitige Hautelement 1 und das niedertemperaturseitige Hautelement 2 aus dem gleichen Material hergestellt werden. Dabei wird das Ganze aus einem Material hergestellt, aus dem das hochtemperaturseitige Element besteht.

Das Kernelement 3 ist ein Grundelement aus dem Wärmedämmungsmaterial, und es ist wichtig, daß die Wärmeleitfähigkeit möglichst gering ist. Wärme wird durch Leiten und Abstrahlen im Vakuum übertragen. Insbesondere bei hohen Temperaturen erfolgt jedoch der größte Teil der Wärmeübertragung durch Abstrahlen.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben als ein Ergebnis von Experimenten mit verschiedenen Materialien gefunden, daß die Wärmeleitfähigkeit außerordentlich gering ist, wenn SiC, das ein hohes Strahlungsvermögen hat, hinzugefügt wird, was zu der vorliegenden Erfindung geführt hat.

Es ist effizient, SiC als Whisker oder feines Pulver zu verwenden. Es ist zweckdienlich, 15 bis 50 Gew.-Teile SiC-Pulver und/oder SiC-Whisker, bezogen auf 100 Gew.-Teile wärmebeständige anorganische Faser, die das Hauptmaterial ist, welches das Kernelement bildet, zu verwenden. Die Wirkung einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit ist gering, wenn mehr SiC verwendet wird und wenn weniger SiC als in diesem Bereich verwendet wird.

Es wird angenommen, daß eine Strahlungsabschirmung ungenügend ist, wenn der SiC-Anteil geringer als 15 Gew.-Teile ist, und daß die Wärmeleitfähigkeit aufgrund der Tatsache zunimmt, daß Moleküle von SiC miteinander in Kontakt gebracht werden, wenn der SiC-Anteil größer als 50 Gew.-Teile ist.

Die Hautelemente und das Kernelement werden unter Verwendung eines Nähfadens zusammengenäht, um dem Wärmedämmungsmaterial eine bestimmte Gestalt zu geben und gleichzeitig eine zufriedenstellende Festigkeit als Wärmeisolator zu erhalten.

Obwohl keine Festigkeit erzielt werden kann, die ebenso hoch wie diejenige ist, die durch Nähen erhalten wird, können die Hautelemente durch haftendes Verbinden an dem Kernelement fest angebracht werden. Sie können sowohl durch Nähen als auch durch haftendes Verbinden daran befestigt werden.

Die Anbringung des Wärmedämmungsmaterials kann bewerkstelligt werden, indem es unmittelbar mit einem dafür vorgesehenen Körper haftend verbunden wird.

Außerdem ist es möglich, die Stabilität gegenüber Wind mit hohen Windgeschwindigkeiten oder die Stabilität gegenüber einer Kollision mit Staub oder Regentropfen dadurch zu verbessern, daß die Oberfläche des Hautelements in dem Wärmedämmungsmaterial beschichtet wird oder eine Hartplatte, die ein hohes Strahlungsvermögen hat, daran angebracht wird.

Nachstehend werden auf der Basis konkreter Beispiele verschiedene Realisierungsarten erläutert.

AUSFÜHRUNGSFORM 1

270 g Siliciumdioxidfasern (Q-Fasern, hergestellt von Johns Manville), 90 g SiC-Whisker (hergestellt von Tateho Chemical Industries Co., Ltd.) und 100 g einer 25 % Polyesterharzlösung wurden in 30 1 Wasser gerührt, bis ein Brei erhalten wurde. Danach wurde der Brei in einen Formwerkzeugrahmen gegossen, an dessen Boden ein Metallnetz aus rostfreiem Stahl angeordnet war, um ihn zu dehydrieren. Auf diese Weise wurde eine Sammelfaserplatte mit einer Größe von 300 × 300 × 4 mm3 erhalten.

Dann wurde diese Sammelfaserplatte in einem Trockner vom Ventilationstyp bei 105 °C getrocknet, um ein Kernelement zu erhalten. Dieses Kernelement hatte eine Dichte von 0,1 g/cm3, nachdem es in Luft erwärmt worden war, um organische Substanzen auszuheizen. Die Wärmeleitfähigkeit, die durch Messen bei 800 °C in einer Atmosphäre von 0,01 Torr erhalten wurde, war außerordentlich gering, nämlich 0,025 W/mK.

Das so erhaltene Kernelement wurde zwischen einem hochtemperaturseitigen Hautelement aus Aluminiumoxidfasergewebe (NEXTEL (RTM) AF-14, hergestellt von 3M Co., Ltd). und einem niedertemperaturseitigen Hautelement aus Glasgewebe angeordnet, und sie wurden unter Verwendung eines Nähfadens-(NEXTEL (RTM) AT-21, hergestellt von 3M Co., Ltd.) miteinander verbunden.

Das Nähen wurde mit einem Pitch bzw. einer Teilung von 8 mm und einem Nähintervall von 25 mm ausgeführt. Seitenwandteile des Kernelements wurden mit dem hochtemperaturseitigen Hautelement bedeckt. Das Kernelement wurde selbst durch die Zugkraft des Nähfadens nicht verformt und hatte eine gleichmäßige Dicke. Das Ganze wurde bei 470 °C erwärmt, um organische Substanzen abzubauen.

Das so erhaltene Wärmedämmungsmaterial hatte eine Wärmeleitfähigkeit von 0,035 W/mK bei 800 °C in einer Atmosphäre von 0,01 Torr und eine Flexibilität, mit der es an einer komplizierten gekrümmten Oberfläche angebracht werden konnte. Außerdem wurde bei der Handhabung oder Anbringung kein das Kernelement bildendes Material verstreut.

Wärmeleitfähigkeiten des Kernelements, die auf die gleiche Weise durch Ändern der zugefügten Menge an SiC-Whisker erhalten wurden, sind in 3 angegeben. In

3 repräsentiert A die zugefügte Menge an SiC-Whisker und T die Wärmeleitfähigkeit (W/mK), wobei Messungen in einer Atmosphäre ausgeführt wurden, in welcher der Druck P gleich 0,01 Torr ist.

AUSFÜHRUNGSFORM 2

270 g Aluminiumoxidfasern (MAFTEC (RTM), hergestellt von Mitsubishi Chemical Corporation), 90 g SiC-Whisker (hergestellt von Tateho Chemical Industries Co., Ltd.) und 100 g einer 25 % Polyesterharzlösung wurden in 30 1 Wasser gerührt, bis ein Brei erhalten wurde. Danach wurde der Brei in einen Formwerkzeugrahmen gegossen, an dessen Boden ein Metallnetz aus rostfreiem Stahl angeordnet war, um ihn zu dehydrieren.

Auf diese Weise wurde eine Sammelfaserplatte mit einer Dimensionierung von 300 × 300 × 40 mm3 erhalten. Dann wurde diese Sammelfaserplatte in einem Trockner vom Ventilationstyp bei 105 °C getrocknet, um ein Kernelement zu erhalten. Dieses Kernelement hatte eine Dichte von 0,1 g/cm3, nachdem es in Luft erwärmt worden war, um organische Substanzen auszuheizen. Die Wärmeleitfähigkeit, die durch Messung bei 800 °C in einer Atmosphäre von 0,01 Torr erhalten wurde, war außerordentlich gering, nämlich 0,034 W/mK.

Das so erhaltene Kernelement wurde zwischen einem hochtemperaturseitigen Hautelement aus Aluminiumoxidfasergewebe (Rubiron (RTM) Gewebe CP-30, hergestellt von Nichias Corporation) und einem niedertemperaturseitigen Hautelement aus Glasgewebe angeordnet, und sie wurden unter Verwendung eines Nähfadens (NEXTEL (RTM) BT-21, hergestellt von 3M Co., Ltd.) miteinander verbunden.

Das Nähen wurde mit einem Pitch bzw. einer Teilung von 8 mm und einem Nähintervall von 25 mm ausgeführt. Seitenwandteile des Kernelements wurden mit dem hochtemperaturseitigen Hautelement bedeckt. Das Kernelement wurde selbst durch die Zugkraft des Nähfadens nicht verformt und hatte eine gleichmäßige Dicke. Das Ganze wurde bei 470 °C erwärmt, um organische Substanzen abzubauen.

Das so erhaltene Wärmedämmungsmaterial hatte eine Wärmeleitfähigkeit von 0,041 W/mK bei 800 °C in einer Atmosphäre von 0,01 Torr und eine Flexibilität, mit der es an einer komplizierten gekrümmten Oberfläche angebracht werden konnte. Außerdem wurde bei der Handhabung oder Anbringung kein das Kernelement bildendes Material verstreut. Ferner wurde selbst bei Erwärmung auf 1200 °C keine Abnormalität festgestellt.

VERGLEICHSBEISPIEL

Zum Vergleich mit der Erfindung wurde ein Kernelement, das eine Dichte von 0,1 g/cm3 hatte, auf die gleiche Weise wie bei AUSFÜHRUNGSFORM 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß kein SiC-Whisker verwendet wurde und ein Kernelement nicht mit einem hochtemperaturseitigen Hautelement bedeckt wurde. Die in einer Atmosphäre von 0,01 Torr gemessene Wärmeleitfähigkeit war 0,61 W/mK bei 800 °C.

Das so erhaltene Kernelement wurde zwischen einem hochtemperaturseitigen Hautelement aus Aluminiumoxidfasergewebe (NEXTEL (RTM) AF-14, hergestellt von 3M Co., Ltd.) und einem niedertemperaturseitigen Hautelement aus Glasgewebe angeordnet, und sie wurden unter Verwendung eines Nähfadens (NEXTEL (RTM) AT-21, hergestellt von 3M Co., Ltd.) auf die gleiche Weise wie bei AUSFÜHRUNGSFORM 1 miteinander verbunden.

Das Nähen wurde mit einem Pitch bzw. einer Teilung von 8 mm und einem Nähintervall von 25 mm ausgeführt. Eine Abdämmung wurde an den Seitenwandteilen des Kernelements mit Nähfaden durchgeführt. Das Kernelement wurde selbst durch die Zugkraft des Nähfadens nicht verformt und hatte eine gleichmäßige Dicke. Das Ganze wurde bei 470 °C erwärmt, um organische Substanzen abzubauen.

Das so erhaltene Wärmedämmungsmaterial hatte eine hohe Wärmeleitfähigkeit, nämlich 0,073 W/mK bei 800 °C in einer Atmosphäre von 0,01 Torr. Obwohl das Kernelement bildendes Material durch Zwischenräume des Nähfadens an den Seitenwandteilen des Kernelements verstreut wurde und die Dicke der Seitenwandteile des Kernelements abnahm, hatte es eine Flexibilität, mit der es an einer komplizierten gekrümmten Oberfläche angebracht werden konnte.

Da, wie oben im einzelnen erläutert, das Wärmedämmungsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung eine außerordentlich geringe Wärmeleitfähigkeit im Vakuum, eine hohe Wärmebeständigkeit und eine Flexibilität hat, mit der es einer gekrümmten Oberfläche folgen kann, kann es insgesamt auf einfache Weise an einem Körper einer Raumfähre usw. angebracht werden, und da ferner das Gewicht des daran angebrachten Wärmedämmungsmaterials gering ist, ist es außerordentlich nützlich, da die Nutzlast erhöht werden kann usw.


Anspruch[de]
  1. Wärmedämmungsmaterial, das folgendes aufweist:

    – ein hochtemperaturseitiges Hautelement (1), das aus einem wärmebeständigen anorganischen Textilfasererzeugnis besteht;

    – ein niedertemperaturseitiges Hautelement (2), das aus einem wärmebeständigen anorganischen Textilfasererzeugnis besteht; und

    – ein Kernelement (3), das eine Ansammlung von wärmebeständigen anorganischen Fasern aufweist und zwischen dem hochtemperaturseitigen Hautelement (1) und dem niedertemperaturseitigen Hautelement (2) angeordnet ist;

    dadurch gekennzeichnet,

    daß das Kernelement (3) 100 Gew.-Teile wärmebeständige anorganische Fasern und 15 bis 50 Gew.-Teile SiC-Pulver und/oder -Whisker aufweist und daß die Seitenwandteile des Kernelements (3) mit dem hochtemperaturseitigen Hautelement (1) bedeckt sind.
  2. Wärmedämmungsmaterial nach Anspruch 1, wobei das hochtemperaturseitige Hautelement (1), das niedertemperaturseitige Hautelement (2) und das Kernelement (3) durch Verwendung eines Fadens, der aus wärmebeständigen anorganischen Fasern besteht, miteinander verbunden sind.
  3. Wärmedämmungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei das hochtemperaturseitige Hautelement (1) aus Aluminiumoxid-Endlosfaser- oder Siliciumdioxidgewebe besteht, während das niedertemperaturseitige Hautelement (2) aus Glasfasern besteht.
  4. Wärmedämmungsmaterial nach Anspruch 1, wobei ein beutelförmiges Abdeckelement (5) im voraus gebildet ist, so daß das hochtemperaturseitige Hautelement (1) und das niedertemperaturseitige Hautelement (2) das Kernelement (3) umschließen, und das Kernelement (3) darin angeordnet ist, um einen einzigen Körper zu bilden.
  5. Wärmedämmungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Oberfläche des hochtemperaturseitigen Hautelements (1) mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet ist, das ein hohes Strahlungsvermögen hat.
  6. Wärmedämmungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Hartplatten, die ein hohes Strahlungsvermögen haben, an der Oberfläche des hochtemperaturseitigen Hautelements angebracht sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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