thermochromische thermosfles

Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
THERMOCHROMISCHE THERMOSFLES
D. Bendelac, R.C. Dillon, R. Gravemaker, M. Plomp & F. Soleymani
Begeleider: Dr.ir. Ludwik Kowalski
Het accent binnen dit onderzoek ligt op het zoeken naar geschikte materialen en/of
vervaardigingtechnologieën voor een thermosfles/thermoskan bekeken vanuit meerdere
invalshoeken.
Het spanningsveld wordt bepaald door behoud van de primaire functie (warmte- en
koude isolatie) van de thermosfles en een esthetische meerwaarden.
Een thermosfles is een container dat vloeistoffen gedurende 12 tot 31 uur warm of koud
houdt. Thermosflessen worden gewoonlijk gebruikt om koffie, thee en anderen dranken
te bewaren en/of vervoeren. Andere typen thermosflessen worden gebruikt in medischeen chemische industrie.
PRINCIPE THERMOSFLES
Een typische thermosfles heeft een binnen reservoir die uit 2 glazen of roestvrije stalen flessen
(zie fig.1 inner- en outer bottle) bestaat, de één in de ander.
De thermosfles blokkeert de drie processen van warmteoverdracht – conductie, convectie, en
straling.
Glas en staal zijn geen goede warmteoverdragers waardoor ze warmtetransport door conductie
verminderen. De meeste lucht tussen de flessen is verwijderd om een gedeeltelijke vacuüm te
creëren. Dit vacuüm verhindert warmtetransport door convectie omdat het te weinig lucht
moleculen bevat om warmte tussen de flessen te vervoeren. De tegenover elkaar staande
glazen wanden zijn gecoat met een zilveren oplossing. Deze gedragen zich als spiegels en
reflecteren veel van de warmte die van buiten of binnen de container komt. Hierdoor wordt
warmtetransport door straling verminderd.
PROBLEEMSTELLING
Er zijn drie gebruiksgroepen van de thermosfles te onderscheiden;
1. ‘outdoor’
2. ‘binnenshuis’
3. ‘medisch/ chemisch’
De thermosfles voor binnen het huis is een interessante markt wegens de mogelijke variatie in
vorm- en kleurgebruik. De huidige complexe fabricage technieken voor het vormen van de
“innerbottle” zorgen voor een remmende werking in de ontwikkeling van nieuwe spannende
uiterlijkheden van de thermosfles.
De huidige design ontwikkelingen van “Imac” achtige transparante producten, heeft ons er toe
gezet om te onderzoeken in hoeverre de thermosfles doorzichtig kan zijn.
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
1
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
Een ander vraagstuk is het onderzoeken van de mogelijkheid om een warmte-indicator toe te
passen in het ontwerp van een thermosfles. Het creatieve gebruik van zo’n indicator kan een
esthetische meerwaarde opleveren. Als warmte-indicator zijn de thermochrome materialen goed
bruikbaar.
THERMOCHROME MATERIALEN
Thermochrome materialen veranderen omkeerbaar van kleur onder invloed van een
temperatuurverandering. Deze materialen werken volgens het principe van selectieve
weerspiegeling van licht. Als het thermochrome materiaal zich op zijn ‘event’ temperatuur (de
temperatuur waarbij een thermochrome materiaal zichtbaar licht begint te reflecteren) bevindt
en verlicht wordt door wit licht, dan zal het thermochrome materiaal een unieke golflengte van
zichtbaar licht reflecteren.
Door de temperatuursverandering krijgen de atomen een grotere activatie energie waardoor er
spontaan een transformatie van een molekuulstructuur wordt geïnduceerd. Wanneer de
temperatuur stijgt, draait het molecuul van het thermochrome materiaal licht in een richting.
Door deze draaiing absorbeert het molecuul meer van een bepaald deel van het lichtspectrum,
en reflecteert het een ander deel, waardoor je dus een andere kleur ziet.
Terwijl de temperatuur door de bandbreedte (de temperatuur gebied waarin de thermochrome
materiaal actief zichtbaar licht reflecteert) van het thermochrome materiaal stijgt, zal het
gereflecteerde kleur van het thermochrome materiaal veranderen.
Thermochrome materialen worden tegenwoordig gebruikt voor de volgende toepassingen:
Het bezegelen van verschillende waardevolle producten en beveiligingen voor waarborging
van hun authenticiteit
Kleur indicatie van temperaturen om de warmtetoestand van verschillende technologische
processen te controleren
Als design component
Het veiliger en praktischer maken van huishoudelijk apparatuur
Gewoonlijk worden thermochrome materialen gebruikt met een “event temperature” die ligt
tussen de 10 en 120°C en een bandbreedte die ligt tussen de 1 en 20°C.
Thermochrome materialen zijn over het algemeen leverbaar in drie vormen:
Pure sprayable of sheet. Voor de toepassing in een thermosfles kunnen sprayable
thermochrome materialen of thermochrome sheets worden gebruikt.
CONCEPT
Het nieuwe ontwerp van de thermosfles bestaat uit een glazen binnenfles en buitenfles met
daar omheen een doorzichtige kunststof behuizing. Er is gekozen voor kunststof omdat het ten
eerste transparant te maken is en ten tweede heeft het voldoende slagsterkte. Als materiaal kan
men denken aan PC of PS.
Het fabricageschema zal hieronder in het kort behandeld worden.
Glasblazerij
materiaal aanvoer naar de smeltoven
hete glas gaat de blaas machine in en wordt geblazen tot binnen- of buitenfles
uitgloeien
Deze stappen zijn zowel voor de binnen- als de buitenfles hetzelfde.
BUITENFLES
BINNENFLES
aanbrengen tuutje op onderkant van de buitenfles
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
2
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
aanbrengen zilverlaag op buitenkant van de binnenfles
drogen zilverlaag
aanbrengen van een laag thermochroom (rechter laag in de afbeelding hieronder) materiaal
over de zilverlaag (middelste laag in de afbeelding hieronder) d.m.v. een spray techniek.
verbinden van de binnen- en buitenfles aan de bovenzijde door middel van smelten of
sealen.
Uitgloeien
vacuüm aanbrengen tussen de binnen- en buitenfles door de aanwezige lucht door het
tuutje weg te pompen en tuutje dicht te sealen
Het resultaat is een glazen fles met een transparante behuizing waarbij er zicht wordt geboden
op de kleurverandering van het op de binnenfles aangebrachte thermochrome materiaal terwijl
de fles toch nog de reflecterende eigenschappen bezit om warmteverlies door middel van
straling tegen te gaan.
AANBEVELING VOOR VERDER ONDERZOEK
Voor het verder optimaliseren van dit concept zullen er nog enkele kritieke punten beschouwd
dienen te worden:
er moet verder onderzoek worden gepleegd naar de hechting van het thermochroom
materiaal op de zilverlaag
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
3
Technische Universiteit Delft
Artikel
IDE442 MATERIALISEREN
2001
de met zilver en thermochroom materiaal gecoate binnenfles dient erg voorzichtig
behandeld te worden tijdens het verdere productieproces om schade aan de coating te
voorkomen
er moet onderzocht worden in hoeverre de zilverlaag en de thermochroom laag kunnen
worden aangetast ten gevolge van warmte ontwikkeling bij het vastsmelten van de binnenen buitenfles
het momenteel gebruikte glas voor de productie van glazen thermosflessen is pyrexglas
met een lage visuele kwaliteit, dat wil zeggen dat het glas niet geheel transparant is maar
een wat lila-achtige kleur heeft. Voor dit productvoorstel zal een pyrexglas worden gebruikt
met een hogere visuele kwaliteit dat wil zeggen dat het glas transparanter zal zijn.
BRONNEN
Dr. Roland Caps; ZAE Bayern www.zae-bayern.de
HTU
UTH
“Extract” Artikel Consumentengids: isoleerkannen, isoleerflessen en airpotten (nov. ‘99)
Dino J.Farina; Image Therm Engineering,Inc. http://imagetherm.com/
HTU
UTH
Fulgent Stainless Steel Shanghai – ProducionTechnology
HTU
www.howstuffworks.com
UTH
Serge Kooijenga; Philips DAP
F.A. Lowenheim, “Metal coating of plastics”, Noyes Data Corporation (1970)
Liesbeth Rorik; Robke Agenturen BV
HTU
www.Matsui-color.com
UTH
Saxon Europe - RVS Fabricage Schema
Stone K., Fuhuda, Y; Inorganic Thermochromism
Thermos Ltd. – Glas Fabricage Schema
Dr. Anso Zimmerman; GmbH Rotpunkt
© Faculteit Industrieel Ontwerpen
4
Technische Universiteit Delft