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Die
Erfindung betrifft einen Hitzeschild mit einer ersten und einer
zweiten dreidimensional verformten Metalllage, die entweder entlang
ihres Außenrandes im Wesentlichen vollständig
geschlossen miteinander verbunden sind, zum Beispiel dadurch, dass
ein Außenrandabschnitt einer der Metalllagen um den Außenrand
der anderen Metalllage herum auf diese zurück gebördelt
ist oder zumindest einen gekammerten Bereich aufweist, der ebenfalls
in sich geschlossen ist. Der Hitzeschild weist also mindestens eine
in sich abgeschlossene Kammer auf, wobei dies ggf. auch der gesamte
Hitzeschild sein kann. Derartige Hitzeschilde werden als Schall-
und/oder Hitzeschutz für andere Bauteile verwendet. Hitzeschilde
werden beispielsweise in Motorräumen von Kraftfahrzeugen
eingesetzt, insbesondere im Bereich der Abgasanlage, um benachbarte
temperaturempfindliche Bauteile und Aggregate gegenüber
unzulässiger Erhitzung zu schützen. Oft dienen
die Hitzeschilde dabei gleichzeitig als Schallschutz. Zur Verbesserung
der Dämmeigenschaften ist zwischen den beiden Metalllagen
eine Isolationsschicht eingeschlossen. Die Isolationsschicht besteht
beispielsweise aus Glimmer, temperaturstabilem Papier, anorganischen
oder organischen Faserverbundmaterialien oder anderen geeigneten
Dämmstoffen. Die metallischen Lagen bestehen üblicherweise
aus Stahl, aluminiumplattiertem Stahl oder Aluminium.
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Die
Hitzeschilde sind in ihrer Form in aller Regel den zu schützenden
Bauteilen und ihrer sonstigen Umgebung angepasst. Gerade im Bereich
von Verbrennungsmotoren, wo ein Trend dahin geht, zur Verkleinerung
des Motorraumes die benötigten Bauteile möglichst
Platz sparend und dicht beieinander anzuordnen, müssen
Hitzeschilde oft sehr stark dreidimensional verformt werden. Diese
dreidimensionale Verformung erfolgt bei Hitzeschilden in der Regel, nachdem
die einzelnen, zunächst planen Lagen des Hitzeschildes
miteinander verbunden worden sind. Eine Art, die Lagen miteinander
zu verbinden, besteht in der Umbördelung des Außenrandbereiches der
einen Metalllage um den Rand der anderen Metalllage herum. Im Einsatz
werden Hitzeschil de starken Temperaturschwankungen zwischen Ruhezustand
und Betriebszustand ausgesetzt. Dies hat zur Folge, dass bei Raumtemperatur
feste oder flüssige Komponenten, etwa im Isolationsmaterial
enthaltenes Wasser, in die Gasphase überführt
werden und dabei an Volumen zunehmen. Kann das Gas nicht entweichen,
wie dies bei Hitzeschilden mit in sich abgeschlossenen Kammern der
Fall ist, bläht sich der Hitzeschild auf und mindestens
eine der Metalllagen wird zumindest abschnittsweise verformt. Dies
kann einerseits zur Folge haben, dass das Metallblech an einem ursprünglich
beabstandeten benachbarten Bauteil, das es vor zu großer
Wärmeeinstrahlung schützen sollte, zur Anlage
kommt und dabei zum Wärmeüberträger wird.
Dabei kommt es unter anderem zur Reibung zwischen den beiden Teilen,
die auch Geräusche verursacht und dauerhaft die Teile zerstören
kann. Andererseits kann die Verformung bewirken, dass die Formgebung
des Hitzeschildes irreversibel beschädigt wird, wodurch
beispielsweise seine akustischen Eigenschaften beeinträchtigt
werden oder die Isolationsschicht aus ihrer Verankerung gelöst
wird und sich am unteren Rand des Hitzeschildes ansammelt. Dadurch
wird die Wärmeabschirmwirkung stark beeinträchtigt.
Nicht zuletzt kann es zur Rissbildung kommen, wodurch partikelförmiges
Isolationsmaterial unkontrolliert freigesetzt werden kann, oder
falls die Rissbildung in der Nähe von Anbindepunkten erfolgt,
zu einer Lockerung der Befestigung, einer Zunahme der Schwingungsanregung des
Hitzeschildes und in der weiteren Folge zu einem Weiterreißen,
im schlimmsten Fall zu einem kompletten Abreißen.
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Es
bestand daher ein Bedarf an einem Hitzeschild in Sandwich-Bauweise,
bei dem trotz des Vorhandenseins mindestens einer in sich abgeschlossenen
Kammer die oben genannten Probleme nicht auftreten. Aufgabe der
Erfindung ist es, einen solchen Hitzeschild und ein Verfahren zu
seiner Herstellung anzugeben.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem Hitzeschild gemäß Anspruch
1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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In
einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach einen Hitzeschild
mit zwei dreidimensional verformten Metalllagen, welche die Außenoberflächen
des Hitzeschildes bilden, und einer zwischen diesen angeordneten
Isolationsschicht. Der Hitzeschild besitzt mindestens eine in sich
abgeschlossene Kammer. Erfindungsgemäß weist wenigstens
eine der Metalllagen wenigstens einen Entlüftungsauslass auf,
dessen Umfangsfläche wesentlich geringer ist als die Außenoberfläche
der den Entlüftungsauslass aufweisenden Metalllage. Der
wenigstens eine Entlüftungsauslass kann auf verschiedene
Weisen angeordnet werden, nämlich
- – im
Bereich des Flächenschwerpunkts der den Entlüftungsauslass
aufweisenden Metalllage und/oder
- – im Bereich des Flächenschwerpunkts der den Entlüftungsauslass
aufweisenden Metalllage innerhalb einer Kammer, die durch stark
dreidimensional verformte Bereiche der Metalllagen und/oder den
Außenrand des Hitzeschildes begrenzt ist, und/oder
- – im Bereich des Außenrandes des Hitzeschildes, wobei
ein zwischen den Metalllagen ausgebildeter Entlüftungskanal
aus dem mittleren Bereich des Hitzeschildes in Richtung auf den
Außenrand herausgeführt ist und in den Entlüftungsauslass einmündet.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verformung der
Hitzeschildlagen auf Gase zurückgehen, die sich unter Einwirkung
der hohen Temperaturen in der Umgebung des Hitzeschildes in dessen
Innerem bilden und diesen aufblähen. Konkret stammen die
Gase aus der Isolationsschicht des Hitzeschildes. Die Zusammensetzung
der Gase variiert in Abhängigkeit vom Material, aus dem
die Isolationsschicht besteht. Bei einer Isolationsschicht aus Glimmer
oder glimmerhaltigem Material wird zum Beispiel Wasserdampf freigesetzt,
der bei der Herstellung in den Hitzeschild gelangt, da das Glimmermaterial
für die Verarbeitung angefeuchtet wird. Hitzebeständige
Pappe enthält flüchtige Bestandteile, die unter
Hitzeeinwirkung verdampfen. Bei sehr hohen Temperaturen kann es
auch zu Zersetzungsprozessen kommen, die teilweise gasförmige
Verbindungen, z. B. CO2 ergeben.
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Im
Falle der gattungsgemäßen Hitzeschilde können
die gebildeten gasförmigen Substanzen nur sehr schlecht
aus dem Inneren des Hitzeschildes entweichen, da dieser insgesamt
durch einen im Wesentlichen vollständig geschlossenen Außenrand oder
im Bereich mindestens einer in sich geschlossenen Kammer, die von
Bereichen mit starken Krümmungswechseln umgeben ist, relativ
gasdicht abgeschlossen ist. Unter einem im Wesentlichen vollständig
geschlossenen Außenrand soll ein Außenrand verstanden
werden, der entlang mindestens 80%, insbesondere mindestens 90%,
seiner Längsausdehnung geschlossen ist. Häufig
ist der Außenrand des Hitzeschildes zu 100% geschlossen.
Ein geschlossener Außenrand kann beispielsweise durch Verschweißen,
Verlöten, Verkleben oder sonstiges dichtes Verbinden der
Lagen des Hitzeschilds und insbesondere der beiden äußeren
Metalllagen erreicht werden. Eine bevorzugte Art des Verschließens
des Außenrandes besteht zum Beispiel darin, dass ein Außenrandabschnitt
der einen Metalllage um den Außenrand der anderen Metalllage
herum auf diese andere Metalllage gebördelt wird.
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Außer
bei den Hitzeschilden mit im wesentlichen vollständig geschlossenem
Außenrand kann der Austritt eines im Innern des Hitzeschildes
entstandenen Gases nach außen auch bei Hitzeschilden mit
sehr starker dreidimensionaler Verformung behindert sein. Aufgrund
der sehr starken dreidimensionalen Verformung des Hitzeschildes
werden hier die Gase innerhalb von durch große Krümmungswechsel
mit engen Krümmungsradien stark abgekapselten Bereichen
eingekammert und gelangen gar nicht an eventuelle Randöffnungen
heran, oder sie gelangen nur zu Randabschnitten, in denen gerade
keine Öffnung vorhanden ist, durch die sie aus dem Hitzeschild
entweichen könnten. Stark dreidimensional verformte Bereiche
sind solche gekrümmten Bereiche, die einen kleinen Krümmungsradius besitzen
und damit zu einer Einschnürung des Innenraumes des Hitzeschildes
führen. Konkret nähern sich die Metalllagen einander
stark an und quetschen die Isolationsschicht zwischen sich ein oder
pressen diese sogar teilweise oder ganz weg. Es hat sich in der
Praxis gezeigt, dass bei einem Hitzeschild in Sandwich-Bauweise,
bei dem die Dichtungslagen ohne absichtlich eingebrachte Luftschichten
flächig aufeinanderliegen, eine Krümmungsänderung,
die mit einer Verdünnung der Hitzeschildgesamtdicke um
mindestens 5% verbunden ist und einen Bereich in sich geschlossen
umgibt, ausreicht, damit der von der Krümmung umschlossene
Bereich zu einem in sich abgeschlossenen Bereich wird, bei dem ein
Entweichen des Gases nicht mehr sichergestellt ist. Der genannte
kleine Krümmungsradius bezieht sich hier auf die Innenseite
der die Krümmung bildenden Oberfläche der Metalllage.
Er wird also an der zum Äußeren des Hitzeschildes
weisenden eingewölbten Oberfläche gemessen. Stark
eingewölbte Bereiche sind erfindungsgemäß insbesondere
solche, die einen Krümmungsradius von bis zu 15 mm und
vor allem von bis zu 12 mm aufweisen. Kammern werden in der Regel
entweder allseitig von stark gekrümmten Bereichen umschlossen,
oder sie werden seitlich sowohl von stark gekrümmten Bereichen
als auch von einem oder mehreren Abschnitten des geschlossenen Außenrandes
des Hitzeschildes begrenzt.
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Die
Erfindung behebt das Problem des Aufreißens des Hitzeschilds
oder Aufgehen des Bördels dadurch, dass in bestimmten Bereichen
einer oder beider Metalllagen wenigstens eine Entlüftungsöffnung
vorgesehen wird, durch die das Gas entweichen kann. Wie viele Entlüftungsöffnungen
pro Metalllage und pro Hitzeschild insgesamt angeordnet werden,
hängt vor allem von der Anzahl in sich geschlossenen Kammern
im Hitzeschild, von der Größe und Form des Hitzeschildes
ab, aber auch davon, wie groß die zu erwartende Gasentwicklung
im Inneren des Hitzeschildes sein wird. Entsprechend den genannten
Kriterien wird auch die Öffnungsfläche der Entlüftungsöffnungen
gewählt, also die zum Entweichen für das Gas zur
Verfügung stehende Durchlassfläche. Insgesamt
ist aber die von dem wenigstens einen Entlüftungsauslass
eingenommene Fläche in Bezug auf die Oberfläche
der Metalllage, in der sich der Entlüftungsauslass befindet, sehr
gering. Es handelt sich also bei dem Entlüftungsauslass
nicht um eine großflächige Perforation der Metalllage,
gesondert um gezielt in Hinblick auf die Entlüftungsfunktion eingebrachte,
eng begrenzte Öffnungsbereiche. Die flächenmäßige
Ausdehnung eines Entlüftungsauslasses kann als Umfangsfläche
ausgedrückt werden. Im Falle einer einzigen Durchgangsöffnung
als Entlüftungsauslass ist die Umfangsfläche identisch
mit der Öffnungsfläche der Öffnung. Der
Entlüftungsauslass kann alternativ aber auch in einem perforierten Bereich
bestehen, der eine Anzahl nebeneinander angeordneter Durchgangsöffnungen
aufweist. Unter der Öffnungsfläche soll in diesem
Fall vereinfachend ebenfalls die Umfangsfläche verstanden
werden, also diejenige Fläche, die sich innerhalb von geraden Linien
ergibt, die jeweils zwischen den am weitesten außen liegenden
Rändern einander benachbarter, am Rand des perforierten
Bereiches liegender Durchgangsöffnungen gezogen werden,
also nicht nur die offene Fläche der Perforationen. Die Öffnungsfläche
beschreibt hierbeiden Raumbedarf des Entlüftungsauslasses
auf der Metalllage. Die Öffnungsfläche eines Entlüftungsauslasses
ist wesentlich kleiner als die Außenoberfläche
der Metalllage, in der sich der Entlüftungsauslass befindet.
Sie beträgt erfindungsgemäß maximal 200
mm2, bevorzugt maximal 100 mm2,
und insbesondere maximal 50 mm2. Zur Vereinfachung
beziehen sich die Angaben zweckmäßig auf die noch
nicht dreidimensional verformte Metalllage, treffen aber auch bei
den dreidimensional verformten Teilen zu. Bei mehreren Entlüftungsauslässen
pro Metalllage beziehen sich die Wertebereiche auf die Summe der Öffnungsflächen aller
in einer Kammer vorhandenen Entlüftungsauslässe.
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Erfindungsgemäß wird
also wenigstens ein relativ kleiner Entlüftungsauslass
gezielt so vorgesehen, dass er sich in einer für den Gasauslass
günstigen Position befindet. Dadurch wird erreicht, dass
im Inneren des Hitzeschildes gebildetes Gas, ohne Schaden anzurichten,
entweichen kann, großflächige Perforationen, die
die Metalllage bei der Herstellung und auch den fertigen Hitzeschild
schwächen könnten, aber vermieden werden.
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In
einer ersten Möglichkeit (Fall a)) wird für eine
oder beide der Metalllagen nur jeweils ein Entlüftungsauslass
vorgesehen. Dieser befindet sich im Bereich des Flächenschwerpunktes
der den Entlüftungsauslass aufweisenden Metalllage. Unter
dem Flächenschwerpunkt (geometrischem Schwerpunkt) wird
im Sinne der Erfindung in üblicher Weise der Schnittpunkt
der Schwerelinien der Metalllage verstanden, und zwar der ebenen
Metalllage vor deren dreidimensionalem Verformen, wobei eventuell
in der Metalllage befindliche Durchgangsöffnungen behandelt
werden, als wenn sie nicht vorhanden wären. Der Flächenschwerpunkt
wird also an einer durchgehend lochfreien und ebenen Metalllage
bestimmt. Die erste Möglichkeit der Anordnung des Entlüftungsauslasses eignet
sich besonders für relativ wenig dreidimensional verformte
Hitzeschilde, deren von den äußeren Metalllagen
umschlossener Innenraum weitgehend zusammenhängend ausgebildet
und nicht infolge dreidimensionaler Verformung in einzelne Kammern gegliedert
ist. In einem solchen Fall ist ein relativ zentral angeordneter
Entlüftungsauslass für eine schnelle Abfuhr von
im Inneren des Hitzeschildes gebildetem Gas sinnvoll.
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Im
Fall starker dreidimensionaler Verformung des Hitzeschildes kann,
wie bereits erwähnt, im Inneren des Hitzeschildes mindestens
eine in sich abgeschlossene Kammern gebildet sein, wobei von dieser
durch den Außenrand oder zwischen mehreren solchen Kammern
ein Gasaustausch nur schlecht oder gar nicht möglich ist.
Wegen der im Hinblick auf den Gasaustausch isolierten Lage einer derartigen
Kammer ist es sinnvoll, diese bei entsprechender Größe
mit einem separaten Entlüftungsauslass zu versehen. Sehr
kleine Kammern, in denen nur eine geringe Gasmenge freigesetzt wird,
müssen nicht unbedingt entgast werden, da die Gasmenge üblicherweise
nicht ausreicht, den Hitzeschild zu beschädigen. Im Falle
größerer Kammern wird der Entlüftungsauslass
zweckmäßig – wie im Fall a) – ebenfalls
im Bereich des Flächenschwerpunkts angeordnet – nun
aber im Bereich des Flächenschwerpunkts innerhalb der Kammer
(Fall b)). Auch hier erfolgt die Bestimmung des Flächenschwerpunktes
erneut an dem entsprechenden Bereich der ebenen Metalllage, in der
der Entlüftungsauslass angeordnet ist. Die Grenzen der
Kammer sind dabei entweder der Außenrand des fertigen Hitzeschildes
(d. h., der im fertigen Hitzeschild auf die andere Metalllage umgebördelte
Randabschnitt wird nicht mit berücksichtigt) und/oder die
Fußpunkte der stark gekrümmten Bereiche (Steigung
= Null) auf der zum Äußeren der Hitzeschildes
weisenden Oberfläche der den Entlüftungsauslass
enthaltenden Metalllage.
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Der
Entlüftungsauslass muss in den beschriebenen Fällen
a) und b) nicht genau im Flächenschwerpunkt sitzen, sondern
kann etwas abweichend angeordnet sein. ”Im Bereich des
Flächenschwerpunkts” bedeutet erfindungsgemäß,
dass der Entlüftungsauslass mit einem Abstand vom Flächenschwerpunkt
angeordnet ist, der bis zu 50%, bevorzugt bis zu 30% und insbesondere
bis zu 20%, der Länge der Linie beträgt, die den
Flächenschwerpunkt im Fall a) mit dem Außenrand
des Hitzeschildes und im Fall b) mit dem Außenrand der
in sich abgeschlossenen Kammer verbindet und dabei den Mittelpunkt des
Entlüftungsauslasses schneidet. Besteht der Entlüftungsauslass
aus einem perforierten Bereich, ist der Mittelpunkt der Flächenmittelpunkt
der vorstehend beschriebenen Umfangsfläche. Der Abstand wird
vom Rand des Entlüftungsauslasses aus gemessen, was im
Falle eines perforierten Bereiches der Rand der Umfangsfläche
ist.
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Eine
weitere Möglichkeit, Gas aus einem erfindungsgemäßen
Hitzeschild abzuführen, besteht darin, den Entlüftungsauslass
benachbart zum Außenrand des Hitzeschildes anzubringen (Fall
c)). Dies hat den Vorteil, dass der Entlüftungsauslass
im Hauptfunktionsbereich, dem mittleren Bereich des Hitzeschildes,
nicht stört. Um das im Inneren des Hitzeschildes gebildete
Gas dem Entlüftungsauslass zuzuführen, ist zwischen
den beiden Metalllagen ein Entlüftungskanal ausgebildet,
der aus dem mittleren Bereich des Hitzeschildes in Richtung auf
den Außenrand herausgeführt ist und in den Entlüftungsauslass
einmündet. Der Entlüftungskanal kann von Größe,
Form und Verlauf so gewählt werden, dass er Gas aus dessen
Entstehungsbereich gezielt dem Entlüftungsauslass zuführt.
Falls ein Entlüftungskanal dafür nicht ausreicht,
können auch mehrere Entlüftungskanäle
vorgesehen sein, die entweder in ein und denselben Entlüftungsauslass
münden oder in mehrere Entlüftungsauslässe,
die zweckmäßig alle benachbart zum Außenrand
des Hitzeschildes vorgesehen sind. Zusätzlich können
auch Entlüftungsauslässe am Außenrand
vorhanden sein, in die kein Entlüftungskanal mündet
und die unmittelbar zur Gasabfuhr aus dem benachbarten Bereich des
Inneren des Hitzeschildes dienen. Möglich ist ebenfalls,
dass der Entlüftungskanal gegabelt ausgebildet ist. Liegt
die Gabelung im mittleren Bereich des Hitzeschildes, kann aus mehreren
Bereichen gleichzeitig Gas abgeführt werden. Mit einer
Gabelung im Außenrandbereich des Hitzeschildes kann mehreren
Entlüftungsauslässen Gas zugeleitet, und der Öffnungsquerschnitt
der einzelnen Entlüftungsauslässe kann verkleinert
werden.
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Die
im Bereich des Außenrandes des Hitzeschildes befindlichen
Entlüftungsauslässe werden bevorzugt so angeordnet,
dass sie die Handhabung und Funktion des Hitzeschildes möglichst
wenig stören. Die Anzahl ist zweckmäßig
nur gerade so groß wie nötig, um für
eine ausreichende Gasabfuhr zu sorgen. Bei einem Hitzeschild mit
Bördelrand sind die Entlüftungsauslässe
bevorzugt unmittelbar am Rand des umgebördelten Außenrandabschnitts
angeordnet und zwar in der anderen Metalllage, auf der der umgebördelte
Außenrandabschnitt aufliegt. Da der umgebördelte
Außenrandabschnitt üblicherweise auf der nach
innen gewölbten Seite des Hitzeschildes zu liegen kommt,
befinden sich entsprechend auch die Entlüftungsauslässe
auf dieser Innenseite des Hitzeschildes. Alternativ können
die im Bereich des Außenrandes des Hitzeschildes liegenden
Entlüftungsauslässe auch durch einen nicht verschlossenen
Abschnitt des Außenrandes gebildet werden. Beispielsweise
kann ein Entlüftungskanal in einen Außenrandbereich
einmünden, der im Unterschied zu den benachbarten Randabschnitten
nicht verschweißt oder in sonstiger Weise verschlossen
ist. Im Falle des Abschließens des Außenrandes
mithilfe eines Bördels ist beispielsweise in einem Teilabschnitt
kein Außenrandabschnitt vorhanden, der umgebördelt
werden könnte. Dadurch ergibt sich eine unverschlossene Lücke
im Bördelrand, die als Entlüftungsauslass dienen
kann.
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Ein
Entlüftungskanal kann nicht nur zur Zuleitung von Gas zu
einem Entlüftungsauslass im Außenrandbereich des
Hitzeschilds benutzt werden, sondern auch in einem mittleren Bereich
des Hitzeschildes. Beispielsweise kann ein Entlüftungskanal dafür
verwendet werden, Gas aus einer in sich abgeschlossenen Kammer in
eine benachbarte in sich abgeschlossene Kammer zu führen,
in der ein Entlüftungsauslass gemäß Fall
a) oder b) vorhanden ist. Der Entlüftungskanal mündet
dann über die benachbarte Kammer in den Entlüftungsauslass
ein. Dies kann sinnvoll sein, wenn in der Ausgangskammer kein Entlüftungsausgang
angebracht werden soll – sei es, weil die Kammer dafür
beispielsweise zu klein ist oder der Entlüftungsauslass
bei der Herstellung oder im Betrieb des Hitzeschildes stören
würde.
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Form
und Größe des Entlüftungskanals sind grundsätzlich
beliebig und werden den im Hitzeschild vorgefundenen Gegebenheiten
entsprechend gewählt. Bevorzugt ist der Entlüftungskanal
gerade nur so groß wie nötig, um das entstehende
Gasvolumen abführen zu können. Zweckmäßig
wird der Entlüftungskanal möglichst direkt vom
Ort der Gasansammlung zum Entlüftungsauslass geleitet.
Falls erforderlich, kann der Entlüftungskanal aber auch
Hindernisse wie stark dreidimensional verformte oder stark verengte
Bereiche umgehen und seitlich an diesen vorbeigeführt werden.
Bevorzugt ist der Entlüftungskanal als Ausnehmung in der
Isolationsschicht ausgebildet. Die Ausnehmung kann über
die gesamte Dicke oder nur einen Teil der Dicke der Isolationsschicht
reichen. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass der Entlüftungskanal
im äußeren Erscheinungsbild des Hitzeschildes
nicht erkennbar ist und keine Dickenvergrößerung
bewirkt. Alternativ oder ergänzend zur Ausbildung in der
Isolationsschicht kann der Entlüftungskanal aber auch durch
eine Aufwölbung in wenigstens einer der Metalllagen gebildet
sein. Der Entlüftungskanal wird zweckmäßig
im selben Arbeitsgang wie Versteifungssicken, Rippen oder ähnliche
geprägte Elemente bei der Herstellung des Hitzeschildes
in die ebene Ausgangs-Metalllage eingeprägt.
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Auch
der Entlüftungsauslass wird zweckmäßig
in Form und Größe an die zur Verfügung
stehenden Gegebenheiten angepasst. Bevorzugt ist die Öffnungsfläche
nur so groß, wie es für eine ausreichende Gasabfuhr
erforderlich ist, um die Stabilität des Hitzeschildes nicht
unnötig zu vermindern. Bei lose eingefülltem Isolationsmaterial
besteht im Falle zu großer Entlüftungsauslässe
zudem die Gefahr, dass Teile herausfallen, vor allem, wenn sich
der Entlüftungsauslass in einem mittleren Bereich des Hitzeschildes
befindet. Bei im Bereich des Außenrandes angeordneten Entlüftungsauslässen
ist diese Gefahr geringer, da die Isolationsschicht häufig
nicht ganz bis zum Außenrand heranreicht. Im Übrigen
ist es, wie erwähnt, bevorzugt, die Entlüftungsauslässe
im mittleren Bereich des Hitzeschildes als perforierten Bereich
und nicht als einheitliche Durchgangsöff nung auszubilden,
wodurch sich sowohl die Gefahr des Herausfallens von Isolationsmaterial
als auch die Gefahr des Reißens des Hitzeschildes verringern.
In der Regel wird ein Entlüftungsauslass eine Fläche
von 20 bis 200 mm2, bevorzugt von 25 bis
150 mm2 und insbesondere von 30 bis 120
mm2 besitzen. Die Form der Öffnung
bzw. des perforierten Bereichs ist grundsätzlich beliebig,
wobei runde oder gerundete Formen grundsätzlich bevorzugt
sind. Die Umfangsform kann dabei variieren. Beispielsweise kann
der Verlauf der Außenkontur an die Umgebung des Entlüftungsauslasses
angepasst werden und dem Verlauf des Außenrandes, einer
eingeformten benachbarten Rippe oder Ähnlichem folgen.
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Die
verschiedenen vorstehend beschriebenen Fälle der Anordnung
von Entlüftungsauslässen und Entlüftungskanälen
können für sich allein oder in Kombination miteinander
eingesetzt werden – je nachdem, was nach der Ausgestaltung
des Hitzeschildes sinnvoll erscheint. Eine einfache Möglichkeit,
die sinnvolle Anordnung von Entlüftungsauslässen
und Entlüftungskanälen zu ermitteln, besteht darin,
einen Hitzeschild herzustellen, der in allen Einzelheiten dem fertigen
Hitzeschild entspricht, aber keine Entlüftungsauslässe
und Entlüftungskanäle besitzt. Dieser Test-Hitzeschild
wird bei mindestens der während des Betriebs zu erwartenden
Temperatur solange in einen Ofen gelegt, bis er sich in Abschnitten aufwölbt.
Anhand des so ermittelten Schadensbildes, das einen Eindruck vermittelt,
an welchen Stellen Gas bevorzugt entsteht und zu entweichen versucht, wird
dann die Anordnung von Entlüftungsauslässen und
Entlüftungskanälen festgelegt.
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Abgesehen
von den Modifikationen, die die Anbringung von Entlüftungsauslässen
und Entlüftungskanälen mit sich bringen, können
die erfindungsgemäßen Hitzeschilde aus den herkömmlichen Materialien
nach bisher üblichen Verfahren hergestellt und in herkömmlicher
Weise eingesetzt werden. Beispielhaft kann auf die
EP 1775437 A1 oder
DE 202007007453 U der
Anmelderin verwiesen werden. Geeignete Materialien für
die Metalllagen sind beispielsweise Stahl, aluminiumplattierter
Stahl oder Aluminium(-legierungen). Feueraluminierter Stahl ist besonders
weit verbreitet. Edelstähle werden für Einsatzgebiete
mit Korrosionsrisiko und höherer Temperaturbelastung bevorzugt,
nickelreiche Stähle für Hochtemperaturanwendungen.
Aluminiumplattierter Stahl weist besondere Reflexionseigenschaften
auf. Die äußeren Lagen des Hitzeschildes weisen üblicherweise
eine Dicke von 0,15 bis 0,6 mm, bevorzugt 0,25 bis 0,4 mm, auf.
Es ist dabei von der jeweiligen Anwendung abhängig, ob
gleiche Blechstärken oder unterschiedliche Blechstärken
für beide Lagen gewählt werden. Die Wahl der individuellen
Blechstärken erfolgt in Abhängigkeit von der für
die dreidimensionale Verformung notwendigen Elastizität
und der für das verformte Bauteil notwendigen Steifigkeit
so, dass eine Rissbildung im fertigen Teil unter Einsatzbedingungen
vermieden wird, gleichzeitig aber auch eine möglichst regelmäßige
und reproduzierbare Faltengebung möglich ist. Die Isolationsschicht
besteht beispielsweise aus Glimmer oder Vermiculit, temperaturbeständiger
Pappe, anorganischen oder organischen Faserverbundmaterialien oder
anderen geeigneten Dämmstoffen wie beispielsweise Geweben, Gewirken
und/oder Gestricken aus temperaturbeständigen Fasern.
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Der
erfindungsgemäße Hitzeschild kann aus einem einzigen
Teil oder mehreren Teilen bestehen, im letzteren Fall können
die verschiedenen Teile insbesondere über Schraub- und
Steckverbindungen miteinander befestigt werden. Mindestens eines
dieser Teile oder ein Teileverbund hat einen im Wesentlichen vollständig
geschlossenen Außenrand oder eine in sich abgeschlossene
Kammer. Der erfindungsgemäße Hitzeschild wird üblicherweise
im Bereich von Verbrennungsmotor und Abgasstrang in Kraftfahrzeugen
verwendet. Der Hitzeschild kann dabei zum Abschirmen des Abgaskrümmers,
des Turboladers sowie von Anbauteilen wie Katalysator, Vorkatalysator,
Partikelfilter oder sonstiger Komponenten eingesetzt werden.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen weiter erläutert
werden. Diese Zeichnungen dienen lediglich der Beschreibung einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ohne
dass diese jedoch auf das gezeigte Beispiel beschränkt
wäre. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile. In
den Figuren zeigen schematisch:
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1 ein
erstes Beispiel eines erfindungemäßen Hitzeschildes
in Teildraufsicht;
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2 ein
zweites Beispiel eines erfindungemäßen Hitzeschildes
in Teildraufsicht;
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3 bis 5 Teilquerschnitte
entlang der Linie X-X des Hitzeschildes gemäß 2 in
verschiedenen Ausführungsformen;
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6 ein
drittes Beispiel eines erfindungemäßen Hitzeschildes
in Draufsicht;
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7 eine
vergrößerte Darstellung des Bereiches Y in 6;
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8 und 9 Querschnitte
entlang der Linie Z-Z der 7;
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10 ein
viertes Beispiel eines erfindungemäßen Hitzeschildes
in Draufsicht;
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11 und 12 schematische
Darstellungen zur Anordnung des Entlüftungsauslasses in einem
erfindungsgemäßen Hitzeschild.
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1 und 2 zeigen
jeweils einen Hitzeschild 1 in Sandwich-Bauweise. Der Hitzeschild 1 besteht
aus einer äußeren Metallplatte 2 und
einer zur Innenseite, in Richtung auf den vom Hitzeschild 1 umgebenen
Hohlraum weisenden zweiten Metallplatte 3. Die Metallplatten 2 und 3 können
beispielsweise aus Stahl, aluminiumplattiertem Stahl oder Aluminium
bestehen. Zwischen den Metallplatten 2 und 3 ist eine
(hier nicht sichtbare) Isolationsschicht 4 angeordnet,
die beispielsweise aus Glimmer, hitzebeständigem Papier,
anorganischem oder organischem Faserverbundmaterial besteht. Die
drei Lagen 2, 3 und 4 sind dadurch miteinander
verbunden, dass ein Außenrandabschnitt 20 der
ersten Metallplatte 2 um den Außenrand der zweiten
Metallplatte 3 herum auf die zweite Metallplatte 3 zurück
umgebördelt ist (wie durch die Strichlinie angedeutet).
Der so gebildete Bördel läuft entlang der gesamten
Außenkante 12 des Hitzeschildes 1 geschlossen
um und verschließen den Hitzeschild 1 so dicht,
dass im Inneren des Hitzeschildes gebildetes Gas praktisch nicht über den
Außenrand entweichen kann. Die Lagen 2, 3 und 4 weisen
Durchgangsöffnungen 15 auf, die entweder als Schraubendurchgangslöcher
dienen oder durch die beispielsweise Messsonden oder Ähnliches
geführt werden können.
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Der
Hitzeschild ist im Betrieb beispielsweise im Bereich eines Abgasstranges
eines Kraftfahrzeuges montiert und dort hohen Temperaturen ausgesetzt,
die zur Freisetzung von Gas aus dem Isolationsmaterial führen.
Um zu verhindern, dass das gebildete Gas den Hitzeschild 1 aufbläht
und beschädigt, sind in den Hitzeschilden der 1 und 2 Entlüftungsauslässe 5 angeordnet.
Im Falle der 1 besteht der Entlüftungsauslass 5 aus
einem in der Metalllage 2 ausgebildeten perforierten Bereich 52,
der mehrere kleine Durchgangsöffnungen 51 aufweist.
Durch diese Öffnungen kann gebildetes Gas entweichen. Um
den Hitzeschild möglichst großflächig
zu entgasen, ist der Entlüftungsauslass 5 in einem
mittleren Bereich 14 angeordnet (also weg vom Außenrandbereich
zum Zentrum der Metalllage 2 hin). Konkret befindet sich
der Entlüftungsauslass 5 im Bereich des Flächenschwerpunkts
der Metalllage 2. Dies soll unter Bezug auf die 11 und 12 näher
erläutert werden. Die Beschreibung gilt analog auch für
die Anordnung im Flächenschwerpunkt einer Kammer des Hitzeschilds.
Die Grenzen der Kammer sind dabei, wie erwähnt, entweder
der Außenrand des fertigen Hitzeschildes (ohne den umzubördelnden
Randabschnitt) und/oder die Fußpunkte der stark gekrümmten
Bereiche (Steigung = Null) auf der zum Äußeren
der Hitzeschildes weisenden Oberfläche der den Entlüftungsauslass
enthaltenden Metalllage.
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11 zeigt
die Metalllage 2 als ebene Metallplatte ohne Durchgangsöffnungen
vor dem dreidimensionalen Verformen. Der Flächenschwerpunkt
S wird in üblicher Weise als Schnittpunkt von zwei Schwerelinien
SW1 und SW2 bestimmt. Der perforierte Bereich 52, der den
Entlüftung sauslass 5 bildet, kommt über
dem Schwerpunkt S zu liegen. Zu erkennen ist weiterhin, dass die
Fläche, die der perforierte Bereich 52 einnimmt,
wesentlich kleiner ist als die Oberfläche der Metalllage 2.
Diese Fläche ist hier zur besseren Erkennbarkeit vergrößert
dargestellt. Die vom perforierten Bereich 52 eingenommene
Fläche wird als Umfangsfläche U bestimmt. Dies
ist die Fläche, die zwischen geraden Linien u1, u2, u3
usw. liegt, die man dadurch erhält, dass man die am weitesten
außen liegenden Ränder der am Rand des perforierten
Bereich befindlichen und einander benachbarten Öffnungen 51 miteinander
verbindet.
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Im
Fall der 11 fällt der Mittelpunkt
des perforierten Bereiches mit dem Flächenschwerpunkt S
zusammen. Dies ist erfindungsgemäß aber nicht zwingend
erforderlich. Vielmehr kann der Entlüftungsauslass auch
einen gewissen Abstand vom Flächenschwerpunkt S aufweisen,
wie in 12 gezeigt, wo der Entlüftungsauslass
nun in einer einzigen Durchgangsöffnung 51 besteht.
Gleiches gilt aber auch für einen perforierten Bereich.
Der Mittelpunkt 53 der Öffnung 51 liegt
zwischen Flächenschwerpunkt S und Außenrand 12 des
Hitzeschildes 1. Auch hier wird von der noch nicht dreidimensional verformten
Metalllage ausgegangen, nun aber wird – im Unterschied
zu 11 – im Falle der Metalllage 2 der
später auf die Metalllage 3 umgebördelte
Außenrandabschnitt 20 bei der Abstandsbestimmung
nicht berücksichtigt. Zieht man eine gerade Linie vom Flächenschwerpunkt
S durch den Mittelpunkt 53 der Durchgangsöffnung 51,
erhält man die in 12 eingezeichnete
Linie L, die eine Länge l aufweist. Der Abstand A zwischen
Flächenschwerpunkt S und Mittelpunkt 53 beträgt
erfindungsgemäß maximal 50% der Länge
l der Linie L.
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Im
Hitzeschild der 2 erfolgt die Gasabfuhr aus
dem durch die Metalllagen 2 und 3 begrenzten Raum
mittels Entlüftungsauslässen 5, die im
Außenrandbereich, benachbart zum Außenrand 12 des Hitzeschildes 1,
angeordnet sind. Konkret befinden sich die Öffnungen 5 benachbart
zum umgebördelten Randabschnitt 20 der ersten
Metalllage 2 in der zweiten Metalllage 3 und liegen
auf der vom Betrachter abgewandten Innenseite des Hitzeschildes
zur Außenoberfläche 11 hin. Um im Inneren
des Hitzeschildes 1 gebildetes Gas aus dessen mittlerem
Bereich 14 an den Außenrand und von dort durch
den Entlüftungsauslass 5 abführen zu
können, ist zwischen den Metalllagen 2 und 3 ein
Entlüftungskanal 50 ausgebildet.
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3 bis 5 verdeutlichen
in Querschnittsdarstellungen im Schnitt X-X der 2 mögliche
Ausbildungsformen des Entlüftungskanals 50. Im
Falle der 3 wird der Kanal 50 durch
eine Ausnehmung 40 in der Isolationsschicht 4 gebildet.
Die Isolationsschicht 4 ist im Bereich des Kanals 50 völlig entfernt,
sodass der Entlüftungskanal 50 im zweidimensionalen
Zustand eine der Dicke der Isolationsschicht entsprechende Höhe
besitzt. In 4 ist die Isolationsschicht 4 dagegen
nur teilweise entfernt, sodass der Entlüftungskanal 50 eine
geringere Höhe aufweist. In 5 dagegen
ist die Isolationsschicht 4 im Bereich des Entlüftungskanals 50 noch
vorhanden. Der Kanal verläuft oberhalb der Isolationsschicht 4 unter
einer Aufwölbung 22 der Metalllage 2. Üblicherweise
wird bei der dreidimensionalen Verformung aufgrund des im Vergleich
zum Metall und zur Isolationsschicht geringeren Widerstands der
jeweilige Kanal in seiner Höhe verengt.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen
Hitzeschild 1. Er ist durch mehrere stark dreidimensional
verformte Bereiche in verschiedene in sich abgeschlossene Kammern 13, 13', 13'' usw.
unterteilt. Der Übersichtlichkeit halber sind nicht alle
Kammern beschriftet. Die Grenzen zwischen den Kammern 13, 13', 13'' werden
von über die Oberfläche 10 des Hitzeschildes
vorstehenden Rippen 21 gebildet, die sowohl in die erste
Metalllage 2 als auch die zweite Metalllage 3 eingeformt sind.
Im Bereich dieser Rippen 21 nähern sich durch die
starke Krümmungsänderung mit sehr kleinen Krümmungsradien
die Metalllagen einander stark an und quetschen die Isolationsschicht
zwischen sich ein. In einigen Bereichen sind die Kammern auch seitlich
durch den Außenrand des Hitzeschildes begrenzt, der ebenfalls
dicht geschlossen ist. Die Kammern 13, 13', 13'' bilden
daher relativ gasdicht verschlossene Bereiche, aus denen im Inneren
gebildetes Gas nur schlecht entweichen kann. Aus diesem Grund sind
im Hitzeschild der 6 mehrere Entlüftungsauslässe 5 vorhanden,
die hier in voneinander entfernt liegenden Randabschnitten angebracht
sind. Zur besseren Gaszuleitung zu den Entlüftungsauslässen
sind erneut Entlüftungskanäle 50 vorgesehen, die
von innen nach außen geführt werden und in die Entlüftungsauslässe 5 einmünden.
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7 zeigt
den Mündungsbereich eines Entlüftungskanals 50 in
einen Entlüftungsauslass 5 am Beispiel der Ausschnittvergrößerung
Y der 6. Der Entlüftungsauslass besitzt die
Form eines Rechtecks mit gerundeten Ecken und liegt unmittelbar
an den umgebördelten Außenrandabschnitt 20 der
Metalllage 2 angrenzend am Rand der Metalllage 3. 8 und 9 sind
Querschnitte entlang der Linie Z-Z der 7 und verdeutlichen
die Anordnung der Lagen des Hitzeschildes 1 in diesem Bereich.
Beide Ausführungsformen unterscheiden sich vor allem in der
Ausbildung der Isolationsschicht 4. In 8 ist die
Isolationsschicht 4 nur unmittelbar im Bereich des Entlüftungskanals 50 entfernt
und im Bereich des Außenrandes 12 und des Bördels
mit dem umgebördelten Außenrandabschnitt 20 noch
vorhanden. In 9 dagegen ist die Isolationsschicht
auch zwischen Entlüftungsauslass 5 und Außenrand 12 im Bördelbereich
entfernt. Darüber hinaus ist die Entlüftungsöffnung 5 als
Randaussparung der Metalllage 3 ausgebildet und nicht als
Durchgangsöffnung wie im Falle der 2. Dies
erleichtert die Herstellung in diesem Bereich.
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Der
Hitzeschild der 10 entspricht weitgehend demjenigen
der 6, unterscheidet sich von letzterem aber in der
Ausgestaltung der Entlüftungsauslässe 5.
Diese sind nun im Bereich der Flächenschwerpunkte der Kammern 13 und 13' angeordnet
und bestehen aus perforierten Bereichen. Die Entlüftungskanäle
sind entfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1775437
A1 [0020]
- - DE 202007007453 U [0020]