DE10342425A1

DE10342425A1 - Steuerbare Wärmeisolationsschicht

Info

Publication number: DE10342425A1
Application number: DE2003142425
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Hartweg; Karl Dr. Holdik; Reinhard Dr. Zachai
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-09-13
Filing date: 2003-09-13
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeisolationsschicht mit voneinander beabstandeten Außenflächen und eine dazwischen angeordnete Zwischenschicht, deren thermische Leitfähigkeit reversibel veränderbar ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht bspw. mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes veränderbar ist. Die Zwischenschicht wird durch ein Mehrstoffgemisch aus wenigstens einem Matrixelement und Leitelementen gebildet, wobei das Matrixelement eine weitgehend wärmeisolierend wirkende kleine thermische Leitfähigkeit aufweist. Die im Matrixelement verteilt angeordneten Leitelemente weisen gegenüber dem Matrixelement eine höhere thermische Leitfähigkeit auf. Ohne äußeren Einfluss weisen die Leitelemente untereinander zumindest zumeist keine wärmeleitenden Beabstandungen und/oder Kontakte auf, während sie durch den äußeren Einfluss des elektrischen und/oder magnetischen Feldes ausrichtbar sind und dann untereinander wärmeleitende Beabstandungen und/oder Kontakte aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Wärmeisolationsschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 17, wie sie aus der gattungsbildend zugrundegelegten JP 63-153386 (A) als bekannt hervorgeht.

Die JP 63-153386 (A) offenbart eine reversible steuerbare Wärmeisolations- bzw. Wärmedurchgangsschicht, bei der innerhalb eines Gefäßes eine Substanz angeordnet ist. Das Gefäß der Wärmeisolationsschicht weist zwei gegenüberliegende Außenflächen auf, die durch einen gut wärmeisolierenden Rahmen voneinander beabstandet sind. Die Substanz kann elektrisch und/oder magnetisch und/oder mechanisch beeinflusst werden, wobei sich je nach Beeinflussung die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Wärmeisolationsschicht ändert. Die Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Wärmeisolationsschicht bei Beeinflussung findet ihre Ursache in einer Änderung der magnetischen Polarisation der Substanz und/oder in einer Änderung der Kristallstruktur der Substanz und/oder bei Verwendung einer flüssigkristallinen Substanz in einer Änderung des Drifts der Substanz. Allerdings ist das Intervall innerhalb dessen die Wärmeleitfähigkeit variierbar ist, also der Unterschied der maximal möglichen Isolationswirkung klein, wodurch die Verwendbarkeit derartiger Wärmeisolationsschichten gering ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrunde gelegte Wärmeisolationsschicht dahingehend weiter zu entwickeln, dass die Intervallgrenzen der steuerbaren Isolationswirkung möglichst weit voneinander entfernt sind.

Die Aufgabe wird bei einer Wärmeisolationsschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 15 gelöst. Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Mehrstoffgemisches gemäß Anspruch 1 und/oder eines Phasenmaterials gemäß Anspruch 17 kann bei einer zugrundegelegten Wärmeisolationsschicht die Isolationswirkung im günstigsten Falle zwischen einem sehr gut wärmeleitenden und einem sehr gut wärmeisolierenden Zustand steuerbar verändert werden.

Durch die Wahl des Matrixelements und des Leitelements der Mehrstoffkomponente weist die Wärmeisolationsschicht im Normalfall eine thermische Leitfähigkeit auf, die etwa im Bereich des Matrixelements liegt. Beim Anlegen bspw. eines elektrischen Feldes können die Leitelemente – ähnlich wie innerhalb einer Flüssigkeit angeordnete Eisenspäne in einem magnetischen Feld – ausgerichtet werden. Die ausgerichteten Feststoffteilchenbilden zwischen den beiden aus gut wärmeleitendem Material gebildeten Außenflächen kettenartige Wärmebrücke aus, wodurch die thermische Leitfähigkeit der Wärmeisolationsschicht in etwa der thermischen Leitfähigkeit der Leitelemente entspricht. Bei Abschalten des elektrischen Feldes kann in Folge einer Rotationsdepolarisation wieder eine Mischung entstehen, welche in etwa die eingangs, also vor dem Einschalten des beeinflussenden E-Feldes vorliegende, geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Da die thermische Leitfähigkeit der Leitelemente gegenüber derjenigen des Matrixelements um Größenordnungen (Dekaden) höher gewählt werden kann, ist es möglich, die gesamte thermische Leitfähigkeit der Wärmeisolationsschicht in einem durch den Gefrierpunkt und den Siedepunkt des flüssigen Matrixelementes vorgegebenen Temperaturintervall um mehrere Dekaden regelbar zu verändern.

Die erfindungsgemäßen Wärmeisolationsschichten können bevorzugt bei Anwendungen eingesetzt werden, in denen ein in ihnen angeordnetes, abgeschirmtes Objekt empfindlich gegen große Temperaturschwankungen ist oder auch, eine entsprechende Steuerung vorausgesetzt, nur innerhalb eines bestimmten und eng begrenzten Temperaturintervalls betrieben werden darf. Insbesondere gilt dies bei Batterien, Latentwärmespeicher, mikroelektronischen Schaltungen und</oder in der Satellitentechnik.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Wärmeisolationsschicht,
2 eine Ausschnittvergrößerung nach 1 ohne äußeren Einfluss, und
3 die Ausschnittvergrößerung nach 2 mit eingeschaltetem E- und/oder B-Feld.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Wärmeisolationsschicht ohne äußeren Einfluss dargestellt. Die Wärmeisolationsschicht weist voneinander beabstandeten Außenflächen 4 auf. Randseitig der Außenflächen 4 ist ein Rahmen 5 aus einem wärmeisolierenden Material dichtend angeordnet. Der Rahmen 3 beabstandet die Außenflächen 4 voneinander und bildet mit ihnen einen Zwischenraum aus, in dem eine Zwischenschicht 1 eingebracht ist.
Die thermische Leitfähigkeit der Zwischenschicht 1 ist reversibel veränderbar. Hierzu besteht die Zwischenschicht 1 aus einen Mehrstoffgemisch, das wenigstens ein Matrixelement 2 und Leitelemente 3 aufweist. In sinnvoller Weise wird als Matrixelement 2 ein Material verwendet, das eine weitgehend wärmeisolierend wirkende kleine thermische Leitfähigkeit aufweist. Die thermische Leitfähigkeit der Leitelement 3, die im Matrixelement 2 verteilt angeordnet sind, hingegen ist gegenüber dem Matrixelement 2 besser. In bevorzugter Weise ist das Material der Leitelemente 3 ein guter Wärmeleiter.
Je nach Material des Matrixelements 2 und der Leitelemente 3 kann so eine gezielte Veränderung der Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgenommen werden, wobei sich die Wärmeleitfähigkeit im Idealfall zwischen den Werten des Matrixelementes 2 und derjenigen der Leitelemente 3 verändern lässt.
Sinnvoller Weise ist die Mischung aus Leitelementen 3 und Matrixelement 2 so gewählt, dass die Mischung unterhalb von deren Perkulationsgrenze angeordnet ist; d.h. die thermische Leitfähigkeit wird – im unbeeinflussten Fall – zumindest im Wesentlichen durch das Matrixelement 2 bestimmt.
Soll die Beeinflussung mittels eines E-Feldes vorgenommen werden, ist es zweckmäßig, die Außenflächen aus einem gut wärmeleitenden und im Falle einer Beeinflussung mittels eines E-Feldes auch elektrisch gut leitendem Material, insbesondere einem Metall zu fertigen. Hierbei bilden die Außenflächen gleich die Platten eines Kondensators für das E-Feld. Damit diese Platten nicht durch den Rahmen 4 kurzgeschlossen werden, ist dieser zumindest in diesem Fall aus einem elektrisch isolierenden Material herzustellen.
Bei der Anwendung eines elektrischen Feldes zur Beeinflussung der Mehrstoffkomponente, kann es in einigen Anwendungsfällen sinnvoll sein, die Außenflächen nicht aus Metallplatten herzustellen, sondern sie aus einer Metallfolie, einer Folie aus elektrisch leitendem Kunststoff oder dgl. flexiblen und elektrisch kontaktierbaren Materialien zu fertigen. Dadurch ist die Wärmeisolationsschicht in einfacher Weise zur Anbringung an beliebig geformte Körper ermöglicht. Analoges gilt natürlich in übertragener Weise für die Beeinflussung mittels eine Magnetfeldes und/oder einer Temperatur.
Wird hier nun, wie in 3 dargestellt, an die Außenflächen 2 eine elektrische Spannung angelegt, können sich die Leitelemente 3 ausrichten und zwischen den Platten Brücken ausbilden. Dadurch ist im Falle der Beeinflussung die thermische Leitfähigkeit durch den Einfluss dieser Brücken zumindest erhöht. Im Idealfall entspricht der des Materials der Leitelemente 3. Über die (Leitelemente-) Brücken kann nun Wärme von der einen Außenfläche 2 zu der anderen Außenfläche 2 hin zumindest besser fließen. Wird der Strom abgeschaltet, entmischen sich die Leitelemente 3, insbesondere über eine Rotationsdepolarisation, und die Brücken brechen auf.
Als zweckmäßige Kombination für das Mehrstoffgemisch hat sich die Verwendung von etwa 70 % Siliconöl als Matrixelement 2 und etwa 30 % Diamantplättchen als Leitelemente 3 erwiesen, wobei die Diamantplättchen insbesondere mittels Dotierung bipolar funktionalisiert sind. Bei diesem Gemisch kann die thermische Leitfähigkeit gemäß einer mathematischen Kalkula tion zwischen einem Wert der isotropen Mischung von etwa 10 W/mK und einem Wert der anisotropen Mischung von etwa 600 W/mK verändert werden. Wie dargestellt, bedeutet dies eine Veränderung der Wärmeleitfähigkeit um über zwei Größenordnungen.
Weitere sinnvolle Mehrstoffgemische sind temporäre Suspension gebildet ist, insbesondere Öl/Salz- und/oder Öl/Metall-Suspensionen. Ferner sind für die Zwischenschicht auch rheologische Flüssigkeit oder polare Festphasen, insbesondere BaTiO3 verwendbar.
Des weiteren kann das Mehrstoffgemisch weiche und steife Polymere aufweisen. Hierbei bilden die steifen Polymer, die zumindest überwiegend fixierte Bindungswinkel und keine freie Rotation aufweisen die Leitelemente 3 während die weichen Polymere, die zumindest überwiegend unfixierte Bindungswinkel aufweisen, das Matrixelement 2 bilden. Insbesondere beinhaltet ein steifes Polymer, insbesondere Polyacetylen, eine substituierte Funktionalgruppe, damit eine Orientierung gewährleistet ist. Bei der Funktionalgruppe kann es sich um ein Kation, wie bspw. ein Ammoniumion (NH₂ ³⁺) und/oder ein Anion, wie bspw. Schwefeltrioxidion (SO₃ ^2-) handeln.
Eine weitere Möglichkeit ist es als Zwischenschichtein Funktionsmaterial zu verwenden, das bei einer vorgebbaren Schaltschwelle einen Phasenübergang aufweist. Hierbei muss das Funktionsmaterial oberhalb der Schaltschwelle eine veränderte, insbesondere höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen. Zweckmäßiger Weise ist die bei der Schaltschwelle den Phasenübergang des Funktionsmaterial bewirkende Größe eine Temperatur und/oder das elektrische und/oder das magnetische Feld.
In bevorzugter Weise handelt es sich bei dem Funktionsmaterial um Flüssigkristalle, so dass es ein physikalisches Ordnungssystem aufweist. Hierbei ist Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkristalle in sinnvoller Weise anisotrop.
Weitere verwendbare Funktionsmaterialen sind elektrisch leitfähige Materialien mit einem Peirls-Übergang und/oder Polyelektrolyten.

Claims

Wärmeisolationsschicht mit voneinander beabstandeten Außenflächen, die die Wärmeisolationsschicht außenseitig begrenzen, ferner mit einer zwischen den Außenflächen angeordneten Zwischenschicht, deren thermische Leitfähigkeit reversibel veränderbar ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes veränderbar ist, sowie mit einem zwischen den Außenflächen angeordneten Rahmen, der die Außenflächen voneinander beabstandet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (1) ein Mehrstoffgemisch aus wenigstens einem Matrixelement (2) und Leitelementen (3) ist, dass das Matrixelement (2) eine weitgehend wärmeisolierend wirkende kleine thermische Leitfähigkeit aufweist, dass die Leitelemente (3) im Matrixelement verteilt angeordnet ist, dass ein Leitelement (3) gegenüber dem Matrixelement (2) eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist, dass die einzelnen Leitelemente (3) ohne äußeren Einfluss untereinander zumindest zumeist keine wärmeleitenden Beabstandungen und/oder Kontakte aufweisen, dass die Leitelemente durch den äußeren Einfluss des elektrischen und/oder magnetischen Feldes ausrichtbar sind und dass die orientierten Leitelemente (3) untereinander wärmeleitende Beabstandungen und/oder Kontakte aufweisen.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen (4) aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt sind.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (5) aus einem gut wärmeisolierenden Material gefertigt ist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die orientierten Leitelemente (3) mit den Außenflächen (4) wärmeleitende Beabstandungen und/oder Kontakte aufweisen.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixelement (2) ein viskoses Medium, insbesondere Öl, ist, dass die Leitelemente (3) Feststoffteilchen sind, dass das aus Matrixelement (2) und Leitelementen (3) gebildete Mehrstoffgemisch eine Dispersion unterhalb der Perkulationsgrenze ist und dass das Mehrstoffgemisch innerhalb des Rahmens (5) und den Außenflächen (4) angeordnet ist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen (4) Elektroden eines Kondensators sind.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrstoffgemisch als Matrixelement (2) etwa 70 Siliconöl und als Leitelemente (3) etwa 30 % Diamantplättchen aufweist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantplättchen insbesondere mittels Dotierung bipolar funktionalisiert sind.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrstoffgemisch durch eine temporäre Suspension gebildet ist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrstoffgemisch eine Öl/Salz-Suspension ist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrstoffgemisch eine Öl/Metall-Suspension ist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrstoffgemisch eine rheologisch Flüssigkeit aufweist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrstoffgemisch polare Festphasen, insbesondere BaTiO3 aufweist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrstoffgemisch weiche und steife Polymere aufweist, dass ein eine Leitelement (3) bildendes steifes Polymer zumindest überwiegend fixierte Bindungswinkel und keine freie Rotation aufweist und dass die das Matrixelement (2) bildenden weichen Polymere zumindest überwiegend unfixierte Bindungswinkel aufweist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein steifes Polymer, insbesondere Polyacetylen, eine substituierte Funktionalgruppe aufweist, die eine Orientierung gewährleistet.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionalgruppe ein Kation, wie bspw. ein Ammoniumion (NH₂ ³⁺) und/oder ein Anion, wie bspw. Schwefeltrioxidion (SO₃ ^2-) ist.
Wärmeisolationsschicht mit voneinander beabstandeten Außenflächen, die die Wärmeisolationsschicht außenseitig begrenzen, ferner mit einer zwischen den Außenflächen angeordneten Zwischenschicht, deren thermische Leitfähigkeit reversibel veränderbar ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht mittels eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes veränderbar ist, sowie mit einem zwischen den Außenflächen angeordneten Rahmen, der die Außenflächen voneinander beabstandet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zwischenschicht (1) aus einem Funktionsmaterial gefertigt ist, das bei einer vorgebbaren Schaltschwelle einen Phasenübergang aufweist, dass das Funktionsmaterial oberhalb der Schaltschwelle eine veränderte, insbesondere höhere thermische Leitfähigkeit aufweist und dass die bei der Schaltschwelle den Phasenübergang des Funktionsmaterial bewirkende Größe eine Temperatur und/oder das elektrische und/oder das magnetische Feld ist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmaterial ein physikalisches Ordnungssystem wie Flüssigkristalle aufweist
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmaterial Flüssigkristalle sind und dass die Flüssigkristalle bezüglich ihrer Wärmeleitfähigkeit eine Anisotropie aufweisen.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmaterial ein elektrisch leitfähiges Material mit einem Peirls-Übergang ist.
Wärmeisolationsschicht nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsmaterial ein Polyelektrolyt ist.