DE102020113630A1 - Vakuumisolationselement zur Verwendung als druck- und stoßfestes, selbsttragendes Element - Google Patents

Vakuumisolationselement zur Verwendung als druck- und stoßfestes, selbsttragendes Element Download PDF

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Hendrik Feuerstein
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Abstract

Vakuumisolationselement (1) zur Verwendung als druck- und stoßfestes, selbsttragendes Element umfassend einen Stützkörper (2) und eine den Stützkörper (2) umschließende Folienhülle (3), und wobei die Folienhülle (3) zumindest abschnittsweise ein Faserverbundmaterial (4) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Vakuumisolationselement zur Verwendung als druck- und stoßfestes, selbsttragendes Element gemäß dem unabhängigen Anspruch.
  • Die Erfindung betrifft das technische Gebiet von Vakuumisolationselementen, wie Vakuumisolationspaneelen (VIP) zur thermischen Isolierung, die in den unterschiedlichsten technischen Bereichen Anwendung finden, wie z.B. Luft- und Raumfahrt, Maschinen- und Anlagenbau, Automotive, Medizintechnik oder der chemischen Industrie.
  • Bei konventionellen Vakuumisolationspaneelen wird ein Kernmaterial mit einer Hochbarrierefolie umhüllt und auf einen Unterdruck evakuiert. Aufgrund des im Inneren des Vakuumisolationspaneels aufgebauten Unterdrucks übt die Hochbarrierefolie eine Kraft gegen das Kernmaterial aus, welche das Kernmaterial zusammendrückt bzw. kompaktiert. Die Festigkeit des Vakuumisolationspaneels ergibt sich aufgrund der im Kernmaterial durch das Zusammendrücken bzw. Kompaktieren bewirkten Erhöhung innerer Reibkräfte. Diese Reibkräfte wirken äußeren Kräften entgegen, um auf diese Weise ein selbstragendes Bauteil bereitzustellen, das aufgestellt werden kann ohne die äußere Form zu verändern, wie zu knicken oder durchzuhängen.
  • Entscheidend bei der hierdurch erzielten Festigkeit des Vakuumisolationspaneels ist neben der Stärke des erzeugten Unterdrucks auch die Form des Vakuumisolationspaneels, als auch die Zusammensetzung des Kernmaterials.
  • Problematisch für die mechanische Festigkeit des Vakuumisolationspaneels ist beispielsweise eine abnehmende Dicke, die Verwendung eines Kernmaterials mit niedriger innerer Reibung oder der mit längerer Standzeit reduzierte Unterdruck. Dabei kann sich das Vakuumisolationspaneel schon bei geringen äußeren Krafteinwirkungen unerwünscht verformen.
  • Ein weiterer Nachteil bei konventionellen Vakuumisolationspaneelen besteht darin, dass die Stabilität in Bezug auf Stoßfestigkeit oft nicht ausreicht, um bleibende Deformationen bei Stößen gegen die Hochbarrierefolie zu vermindern.
  • Ein anderer Nachteil bei konventionellen Vakuumisolationspaneelen besteht darin, dass kein Schutz gegen eine Beschädigung der Hochbarrierefolie durch mechanische und thermische Einwirkungen oder Chemikalien besteht, wodurch in Folge der Beschädigung der Unterdruck im Vakuumisolationspaneel beeinträchtigt wird.
  • Auch hinsichtlich der Feuerfestigkeit ergeben sich bei derartigen Vakuumisolationspaneelen Nachteile, die zum Teil dadurch überwunden wurden, dass die Barrierefolie ein Glasfasermaterial umfasst, um die Temperaturbeständigkeit zu erhöhen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Vakuumisolationselement, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationselements bereitzustellen, welche die Nachteile im Stand der Technik überwinden und welches Vakuumisolationselement insbesondere stabile mechanische Eigenschaften aufweist.
  • Die Erfindung umfasst ein Vakuumisolationselement (wie eine Vakuumdämmplatte) zur Verwendung als druck- und stoßfestes, selbsttragendes Element umfassend einen Stützkörper (z.B. Pyrogene Kieselsäuren, Mikrofasermaterialien, Perlite oder Offenporige Kunststoffschäume) und eine den Stützkörper umschließende Folienhülle (wie eine metallisierte Kunststofffolie). Dabei umfasst die Folienhülle zumindest abschnittsweise ein Faserverbundmaterial. Das Faserverbundmaterial ist ein Mischwerkstoff (faserverstärkter Kunststoff) umfassend verstärkende Fasern, die in einer „Matrix“ (Füll- und Klebstoff) eingebettet sind. Das Faserverbundmaterial kann beispielsweise drucklos und bei Raumtemperatur oder unter Druck auch Zug beim Wickeln und Hitze auf die Folienhülle aufgebracht werden. Die Aufbringung ist auch bei Raumtemperatur mit Druck oder höherer Temperatur drucklos möglich. Die Fasern und die Matrix sind dabei derart gewählt, um das Vakuumisolationselement so zu stabilisieren, dass das entstehende Vakuumisolationselement ein Exoskelett aus Faserverbundmaterial erhält. Auf diese Art und Weise werden die statischen und mechanischen Eigenschaften optimiert. Insbesondere in Einsatzgebieten, wo das Vakuumisolationselement hoher mechanischer oder thermischer Beanspruchung ausgesetzt wird und nur geringe Wandstärken gefordert werden, kann das Vakuumisolationselement selbsttragend eingesetzt werden.
  • Nach einem bevorzugten Aspekt umfasst das Faserverbundmaterial duromere, elastomere und/oder thermoplastische Kunststoffe. Das Faserverbundmaterial kann dabei beispielsweise in einem Prepreg-Verfahren mit duromeren und/oder thermoplastischen Kunststoffen vorimprägniert sein. Durch die Wahl der Gewebestruktur und verwendeten duromeren oder thermoplastischen Kunststoffen lässt sich das Exoskelett auf spezifischen Anwendungsfälle hin anpassen.
  • Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt umfassen die duromeren und/oder thermoplastischen Kunststoffe Phenol-, Epoxid-, Polyimid-, Silikonharz, Cyanatester oder Kombinationen davon.
  • Nach einem besonders bevorzugten Aspekt umfasst das Faserverbundmaterial verstärkende Fasern aus Glas-, Aramid- oder Carbonfasern. Das Faserverbundmaterial kann dabei als Rovings, Filamente, Hybridgarne, Gewebe, Gelege, Gewirk, Gestrick oder Vlies ausgebildet sein. Das Faserverbundmaterial kann im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und thermische Einwirkungen oder Chemikalien gewählt werden.
  • Nach einem vorteilhaften Aspekt ist das Faserverbundmaterial die Folienhülle vollständig umschließend ausgebildet. Hierdurch kann ein umfassender Schutz gegen eine Beschädigung der Folienhülle durch mechanische und thermische Einwirkungen oder Chemikalien erzielt werden. Dabei können mehrere Vakuumisolationselemente zusammen laminiert werden, wodurch zum Beispiel ein Scharnierelement gebildet oder eingebracht werden kann.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt ist das Vakuumisolationselement ein Vakuumisolationspaneel.
  • Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt umfasst die Folienhülle eine Siegelnaht. Dabei ist die Siegelnaht derart gefalzt, um an dem Stützkörper anzuliegen. Die Siegelnaht kann durch thermisches Verschweißen ausgebildet sein. Die Siegelnaht kann dabei über den Stützkörper hinausragen.
  • Nach einem bevorzugten Aspekt enthält das Vakuumisolationspaneel eine Ausnehmung. Dabei kann die Folienhülle und/oder das Faserverbundmaterial die Ausnehmung überspannen.
  • Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt umfasst das Faserverbundmaterial einen Kantenabschnitt. Dabei ist der Kantenabschnitt derart ausgebildet, um von einer Kante des Vakuumisolationspaneels mindestens 2 mm über zu stehen.
  • Nach einem besonders bevorzugten Aspekt sind in das Faserverbundmaterial Gewinde, Metalle, Magnete, Halterungen und/oder Scharniere eingebracht.
  • Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationselements nach einem der vorangehenden Ansprüche umfassend die folgenden Schritte:
    • - Bereitstellen eines Vakuumisolationselements umfassend einen Stützkörper (Schritt A); und
    • - Umhüllen des Stützkörpers mit einer Folienhülle umfassend ein Faserverbundmaterial (Schritt B).
  • Nach einem vorteilhaften Aspekt umfasst der Schritt des Umhüllens des Stützkörpers das Umhüllen mit einer Folienhülle und das Aufbringen eines Faserverbundmaterials auf die Folienhülle.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt umfasst der Schritt des Umhüllens des Stützkörpers das vollständige und/oder teilweise Umhüllen. Hierdurch kann ein Schutz gegen eine Beschädigung der Folienhülle durch mechanische Einwirkungen oder Chemikalien erzielt werden.
  • Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt erfolgt das Aufbringen des Faserverbundmaterials mittels Handlaminieren oder Faserspritzen oder Wickel- oder Prepreg-Technologie oder Resin Transfer Moulding.
  • Nach einem bevorzugten Aspekt erfolgt das Aufbringen des Faserverbundmaterials drucklos und bei Raumtemperatur oder unter Druck und Hitze. Die Aufbringung ist auch bei Raumtemperatur mit Druck oder höherer Temperatur drucklos möglich.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele näher erläutert. Identische Bezugszeichen betreffen die gleichen Merkmale in allen Figuren.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Draufsicht eines ersten Vakuumisolationselements;
    • 2 eine schematische Schnittansicht des ersten Vakuumisolationselements aus 1; und 3 eine schematische Draufsicht eines zweiten Vakuumisolationselements;
    • 4 eine schematische Schnittansicht des zweiten Vakuumisolationselements aus 3;
    • 5 eine schematische Draufsicht eines dritten Vakuumisolationselements; und
    • 6 eine schematische Schnittansicht des dritten Vakuumisolationselements aus 5.
  • 1, 3 und 5 zeigen jeweils eine schematische Draufsicht eines ersten, zweiten und dritten Vakuumisolationselements 1 und 2, 4 und 6 zeigen jeweils eine schematische Schnittansicht des ersten, zweiten und dritten Vakuumisolationselements 1.
  • Das jeweils gezeigte Vakuumisolationselement 1 ist als Vakuumisolationspaneel ausgebildet und besonders zur Verwendung als druck- und stoßfestes, selbsttragendes Element geeignet. Dabei umfasst das Vakuumisolationselement 1 einen Stützkörper 2 und eine den Stützkörper 2 umschließende Folienhülle 3. In den gezeigten Beispielen ist der Stützkörper 2 aus pyrogener Kieselsäure und die Folienhülle 3 aus metallisierter Kunststofffolie gebildet.
  • Die Folienhülle 3 umfasst ein Faserverbundmaterial 4, welches die Folienhülle vollständig umschließt. Hierdurch kann ein besonders effektiver Schutz gegen eine Beschädigung der Folienhülle durch mechanische und thermische Einwirkungen oder Chemikalien erzielt werden.
  • Das Faserverbundmaterial 4 ist als Gewebe umfassend verstärkende Aramidfasern ausgebildet und ist besonders im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Einwirkungen geeignet.
  • Das Faserverbundmaterial 4 wurde unter Druck und Hitze auf die Folienhülle 3 aufgebracht. Dabei umfasst das Faserverbundmaterial 4 duromere und thermoplastische Kunststoffe, welche in einem Prepreg-Verfahren vorimprägniert wurden.
  • Das Faserverbundmaterial 2 umfasst einen Kantenabschnitt 21, welcher Kantenabschnitt 21 derart ausgebildet, um von einer Kante des Vakuumisolationspaneels mindestens 2 mm über zu stehen.
  • Die Folienhülle 3 umfasst eine Siegelnaht 31, welche derart gefalzt ist, um an dem Stützkörper 2 anzuliegen. Dabei ist die Siegelnaht 31 durch thermisches Verschweißen gebildet.
  • Die in 1 und 2 gezeigte Siegelnaht 31 ragt über den Stützkörper 2 hinaus.
  • Die in 3, 4, 5 und 6 gezeigte Siegelnaht 31 ragt nicht über den Stützkörper 2 hinaus.
  • Das in 5 und 6 gezeigte Vakuumisolationselements 1 umfasst eine Ausnehmung 11, wobei die Folienhülle 3 und das Faserverbundmaterial 4 die Ausnehmung 11 überspannen.

Claims (15)

  1. Vakuumisolationselement (1) zur Verwendung als druck- und stoßfestes, selbsttragendes Element umfassend einen Stützkörper (2) und eine den Stützkörper (2) umschließende Folienhülle (3), und wobei die Folienhülle (3) zumindest abschnittsweise ein Faserverbundmaterial (4) umfasst.
  2. Vakuumisolationselement (1) nach Anspruch 1, wobei das Faserverbundmaterial (4) duromere, elastomere und/oder thermoplastische Kunststoffe umfasst.
  3. Vakuumisolationselement (1) nach Anspruch 2, wobei die duromeren und/oder thermoplastischen Kunststoffe Phenol-, Epoxid-, Polyimid-, Silikonharz, Cyanatester oder Kombinationen davon umfassen.
  4. Vakuumisolationselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Faserverbundmaterial (4) verstärkende Fasern aus Glas-, Aramid- oder Carbonfasern umfasst.
  5. Vakuumisolationselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Faserverbundmaterial (4) die Folienhülle (3) vollständig umschließend ausgebildet ist.
  6. Vakuumisolationselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vakuumisolationselement (1) ein Vakuumisolationspaneel ist.
  7. Vakuumisolationselement nach Anspruch 6, wobei die Folienhülle (3) eine Siegelnaht (31) umfasst, und wobei die Siegelnaht (31) derart gefalzt ist, um an dem Stützkörper (2) anzuliegen.
  8. Vakuumisolationselement (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Vakuumisolationspaneel eine Ausnehmung (11) enthält.
  9. Vakuumisolationselement (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Faserverbundmaterial (2) einen Kantenabschnitt (21) umfasst, und wobei der Kantenabschnitt (21) derart ausgebildet ist, um von einer Kante des Vakuumisolationspaneels mindestens 2 mm über zu stehen.
  10. Vakuumisolationselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in das Faserverbundmaterial (2) Gewinde, Metalle, Magnete, Halterungen und/oder Scharniere eingebracht sind.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumisolationselements (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Vakuumisolationselements (1) umfassend einen Stützkörper (Schritt A); und -Umhüllen des Stützkörpers mit einer Folienhülle umfassend ein Faserverbundmaterial (Schritt B).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Umhüllens des Stützkörpers das Umhüllen mit einer Folienhülle und das Aufbringen eines Faserverbundmaterials auf die Folienhülle umfasst.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Schritt des Umhüllens des Stützkörpers das vollständige und/oder teilweise Umhüllen umfasst.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Aufbringen des Faserverbundmaterials mittels Handlaminieren oder Spritz- oder Wickel- oder Prepreg-Technologie oder Resin Transfer Moulding erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Aufbringen des Faserverbundmaterials drucklos und bei Raumtemperatur,unter Druck und Hitze oder drucklos bei Hitze erfolgt.
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