DE10215213C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung des Gasdruckes in evakuierten Dämmplatten - Google Patents

Abstract

Zur Bestimmung des Gasdruckes in evakuierten, folienumhüllten Dämmplatten wird der Wärmestrom von einer äußeren Messplatte, die eine deutliche Temperaturdifferenz zur Dämmplatte aufweist, zu einer innerhalb des Vakuumdämmkörpers liegenden Metallplatte gemessen. Der Wärmestrom wird von der gasdruckabhängigen Wärmeleitfähigkeit in einem zwischen Umhüllungsfolie und inneren Metallplatte liegenden offenporigen Material beeinflusst. Daraus lässt sich auf den Gasdruck im Inneren der Vakuumdämmplatte schließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der die Höhe des Gasdruckes in einer folienum­ hüllten Vakuumdämmplatte mit Hilfe eines thermischen Verfahrens auf schnelle Weise von außen gemessen werden kann.

Evakuierte Wärmedämmplatten oder Vakuumpaneele erzielen eine hohe Dämmwirkung mit kleinsten Dämmstärken. Sie bestehen in der Regel aus einem evakuierbaren, porösen Kern­ material geringer Wärmeleitfähigkeit und einer vakuumdichten Umhüllung, z. B. einer metal­ lisierten Hochbarrierefolie aus Kunststoff. Als Kernmaterial haben sich für Anwendungen, bei denen es auf lange Lebensdauern ankommt, z. B. im Gebäudebereich, mikroporöse Kieselsäu­ repulver als vorteilhaft herausgestellt. Für andere Anwendungen mit geringeren Ansprüchen an die Nutzungsdauer können als Dämmkerne auch offenporige Schäume aus Polyurethan oder Polystyrol verwendet werden. Um die Wärmeleitfähigkeit der Luft in den Kernmateria­ lien praktisch auszuschalten, reicht bei mikroporösen Kernen aufgrund ihrer extrem kleinen Porengröße von weniger als einen halben Mikrometer schon ein Vakuum von 1 bis 10 mbar aus. In diesem Druckbereich wird eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,004 und 0,005 W/mK erreicht. Eine Erhöhung des Gasdruckes auf 100 mbar läßt die Wärmeleitfähigkeit nur auf ca. 0,008 W/mK ansteigen, bei normalem Luftdruck von 1000 mbar beträgt die Wärmeleitfähig­ keit 0,020 W/mK. Bei offenporigen Schäumen müssen aufgrund der gröberen Poren die Gas­ drücke dagegen im Bereich 0.1 bis 1 mbar liegen, um die Wärmeleitfähigkeit der Luft auszu­ schalten.

Die Güte und einwandfreie Funktion der Vakuumdämmung kann an der Höhe der Wärmeleit­ fähigkeit oder des bestehenden Innengasdruckes festgestellt werden. Eine Messung der Wär­ meleitfähigkeit ist an einzelnen Vakuumdämmplatten mit üblichen stationären Plattenmess­ verfahren möglich. Diese Messungen sind recht langwierig, die Genauigkeit des Verfahrens kann jedoch besser als 5% der Wärmeleitfähigkeit betragen. Bisherige instationäre Verfah­ ren, bei denen z. B. ein Wärme- oder Temperaturpuls der Platten aufgeprägt wird und Größen wie Temperatur oder Wärmeflüsse zeitabhängig gemessen werden, sind schneller, jedoch sehr fehlerbehaftet und ungenau, da die Messgrößen z. B. nur von der Wurzel der Wärmeleitfähig­ keit des Dämmkerns abhängen.

Am genauestens kann die Güte einer Vakuumdämmplatten an Hand des Wertes des Innen­ gasdruckes beurteilt werden. Der Anfangsgasdruck beträgt nach der Herstellung einer mikro­ porösen Vakuumdämmplatte typischerweise zwischen 1 und 5 mbar. Verwendet man eine geeignete Hochbarrierefolie, so sollte der Gasdruck im Inneren pro Jahr nicht mehr als 1 bis 2 mbar ansteigen. Erst nach 50 Jahren sollte somit rechnerisch eine Verdoppelung der Wärme­ leitfähigkeit eingetreten sein. Eine Information über die Höhe des Gasdruckes bzw. des zeitli­ chen Anstieges auch im eingebauten Zustand ist für eine Qualitätssicherung der Vakuum­ dämmplatten sehr aussagekräftig.

Vor Auslieferung der Vakuumpaneele kann der Innengasdruck dadurch kontrolliert werden, dass das Testobjekt in eine Vakuumkammer gelegt und so lange evakuiert wird, bis sich merklich die Umhüllungsfolie vom Dämmkern abhebt. In diesem Fall wird nämlich der In­ nendruck im Paneel gerade größer als der Gasdruck in der Vakuumkammer. Mit dieser Me­ thode sind allerdings die Gasdrücke von an Kunden ausgelieferten und in das Dämmobjekt eingebaute Vakuumdämmplatten nicht mehr bestimmbar, so dass nach alternativen Methoden gesucht wird. Dabei sind folgende Probleme zu lösen: Die Herstellkosten der Vakuumpaneele dürfen nicht wesentlich erhöht werden. Bei der Kontrolle des Gasdruckes darf die Umhüllung nicht beschädigt werden. Der technische Aufwand der Messung soll möglichst gering gehal­ ten werden. Die Messzeit soll möglichst kurz, die Genauigkeit der Messung möglichst hoch sein.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 2 gelöst, wobei die Höhe des Gasdruckes über ein thermisches Ver­ fahren bestimmt wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird erfindungsgemäß zwischen Dämmkern (1) und Umhüllungsfolie (2) bei der Herstellung eine kleine Metall- oder Keramikplatte (3) eingebracht, die als thermisches Reservoir dient. Die runde oder quadratische Platte kann eine Stärke von z. B. 2 mm und einen Durchmesser von z. B. 30 mm haben. Zwischen dem thermi­ schen Reservoir und der Umhüllungsfolie befindet sich erfindungsgemäß als Wärmewider­ stand eine dünne poröse Zwischenschicht (4). Die Porengröße der offenporigen Zwischen­ schicht soll erfindungsgemäß deutlich größer sein als die des Dämmkerns, so dass die Gas­ wärmeleitfähigkeit in der Zwischenschicht sich schon bei deutlich kleineren Gasdrücken als im Dämmkern bemerkbar macht. Die Zwischenschicht weist eine Stärke von nur ca. 0,1 mm bis 0,3 mm auf. Für die thermische Messung ergeben sich damit relativ große Wärmeströme, die gut zu messen sind. Die Zwischenschicht sollte trotz ihrer kleinen Dicke möglichst homo­ gen aber offenporig sein. Erfindungsgemäß zeigen die besten Eigenschaften Microfaservliese aus Kunststoff oder Glasfasern mit sehr kleinen Faserdurchmessern im Bereich von 0,1 µm bis 5 µm. Prinzipiell sind jedoch auch andere Materialien wie offenporige Kunststoffschäu­ me, feine Pulver wie Kieselgur oder Aerogelschichten als Zwischenlagen möglich.

Der Wärmewiderstand der Zwischenschicht bzw. deren Wärmeleitfähigkeit hängt in charakte­ ristischer Weise vom Gasdruck im Inneren des Paneels ab. Für die oben genannten Microfa­ servliese beträgt der typische Gasdruck, bei dem etwa die Hälfte der Wärmeleitfähigkeit von ruhender Luft bei Normaldruck erreicht wird, etwa 5 mbar. Bei einer Variation des Gasdru­ ckes in diesem Druckbereich wird sich der Wärmewiderstand der Zwischenschicht am deut­ lichsten ändern. Umgekehrt kann bei Kenntnis des Wärmewiderstands auf die Höhe des Gas­ druckes in diesem Bereich geschlossen werden. Wird dagegen die Wärmeleitfähigkeit des Dämmkerns aus z. B. mikroporöser Kieselsäure gemessen, so ändert sich die Wärmeleitfähig­ keit erst deutlich bei Gasdrücken oberhalb von 100 mbar.

Der Wärmewiderstand der Zwischenschicht wird dadurch gemessen, dass von außen auf die innere Platte (3) eine deutlich erhöhte Temperatur aufgeprägt wird und der Wärmestrom über die Zwischenschicht zur inneren Platte (3) bestimmt wird. Aufgrund der geringen Wärmeka­ pazität der Umhüllungsfolie und der dünnen Zwischenschicht stellt sich schnell (innerhalb von 1-2 sec) ein thermisches Gleichgewicht ein: Ändert sich die aufgeprägte Temperatur und die Temperatur der inneren Platte (3) im Verhältnis zur Temperaturdifferenz nur wenig mit der Zeit, so kann man von quasistationären Zuständen ausgehen. Der Wärmewiderstand der Zwischenschicht ist dann proportional zum Verhältnis aus Temperaturdifferenz zwischen innerer Platte (3) und Sensorplatte (5) und dem gemessenen Wärmestrom.

Ein einfaches Verfahren, gleichzeitig die Temperatur an der Oberfläche und den Wärmestrom zur inneren Platte (13) zu messen, besteht darin, eine erwärmte, gut leitende Messplatte (5), an der ein Temperaturmessfühler (6) angebracht ist, auf die Oberfläche des Vakuumpaneels (2) zu pressen. Um das Ergebnis verfälschende Wärmeverluste von der Messplatte (5) an die Umgebung zu verringern, ist sie von einer Wärmeisolation (7), z. B. einem Schaumstoff ein­ gehüllt. Zusätzlich kann ein auf die gleiche Ausgangstemperatur geheizter Schutzring (8) Wärmeabflüsse von der Messplatte zur Umgebung oder seitlich über die Umhüllungsfolie weitgehend unterdrücken.

Nach dem Aufpressen der Messplatte (5) gibt diese Wärme an die innere Platte (3) ab. Da­ durch verringert sich die Temperatur der Messplatte (5) mit der Zeit. Aus der spezifischen Wärmekapazität des Materials der Messplatte (5) und deren Abmessungen sowie der Tempe­ raturänderung pro Zeiteinheit errechnet sich der Wärmestrom. Die Messung des zeitlichen Temperaturverlaufes sollte im allgemeinen dann beendet werden, wenn die Temperatur der Messplatte (5) oder der inneren Platte (3) sich um ca. 10 bis 20% der ursprünglichen Tempe­ raturdifferenz geändert hat. Typische Messzeiten liegen im Bereich 5 s bis 30 s. Die innere Platte (3) sollte sich vor Beginn der Messung im thermischen Gleichgewicht mit dem Dämm­ kern (1) befinden. Die Temperatur der inneren Platte (3) wird vor Messbeginn z. B. mit einem Oberflächentemperaturfühler bestimmt.

Der Durchmesser der Messplatte (5) sollte nicht größer sein als der der inneren Platte (3). Die Dicke der Messplatte (5) kann zwischen 0,5 mm und 10 mm liegen, vorzugsweise 1 bis 5 mm. Das Material besteht vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber oder Stahl. Als Tem­ peratursensor kann z. B. ein Thermoelement benutzt werden.

Eine weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Wärmestroms besteht darin, zwischen Platte (5) und Umhüllungsfolie (2) einen Wärmeflussmesser einzulegen. Aus der gemessenen Wärmeflussdichte und der Temperaturdifferenz zwischen innerer Platte (3) und äußerer Platte (5) kann ebenfalls auf den Wärmewiderstand der Zwischenschicht geschlossen werden. Die äußere Platte (5) kann zur Aufrechterhaltung der Temperatur mit einer geregelten elektrischen Heizung versehen werden.

Wenn nach den erfindungsgemäßen Methoden der Wärmestrom, die Temperaturdifferenz und damit die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht gemessen worden ist, kann bei Kenntnis der Gasdruckabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht auf den Gasdruck im Vakuumpaneel geschlossen werden. Es ist aber auch möglich, die zeitliche Änderung der Messplattentemperatur mit Hilfe einer Kalibiermessung, bei dem ein bekannter Gasdruck vorgegeben wird, direkt mit dem inneren Gasdruck in Beziehung zu setzen.

Da die Ausstattung eines Vakuumpaneels mit der inneren Platte (3) sehr kostengünstig ist, können Vakuumpaneele im Prinzip standardmäßig damit ausgerüstet werden. Damit ist auch schnelle In-line Kontrolle des Gasdrucks nach der Herstellung der Vakuumpaneele möglich.

Werden Schäume als Dämmkerne verwendet, besteht auch die Möglichkeit, den Boden des eingelegten Behälters für Gettermaterialien als Temperaturreservoir zur verwenden. Um einen niedrigeren Gasdruckbereich erfassen zu können, sollte als Zwischenlage (4) zur Umhül­ lungsfolie ein Material mit gröberen Strukturen verwendet werden.

An Stelle einer gegenüber der Platte (3) im Wärmedämmpaneel erhöhten Sensortemperatur kann auch mit einer niedrigeren Sensortemperatur gearbeitet werden, z. B. kann eine vor der Messung mit Eis gekühlte Sensorplatte (5) verwendet werden.

Ausführungsbeispiel

Eine quadratische Aluminiumplatte der Kantenlänge 30 mm und mit 3 mm Stärke wird mit einer Lage eines Glasfaservlieses (Flächengewicht 50 g/m²) umhüllt und zwischen Dämmkern und Umhüllungsfolie in eine kleine Vertiefung eingelegt. Der Dämmkern wird auf einen Gas­ druck von etwa 1 mbar evakuiert und die Umhüllungsfolie vakuumdicht versiegelt. Als Sen­ sor wird einer Scheibe aus Stahl mit einer Stärke von 1,7 mm und einem Durchmesser von 19 mm verwendet und auf dessen Rückseite ein Thermoelement Typ J aufgelötet. Auf die Rück­ seite wird weiterhin ein rundes Stück Schaumstoff mit der Stärke 20 mm und einem Durch­ messer von 20 mm aufgeklebt. Die Temperaturen des Thermoelements werden mit einer Rate von zwei Messungen pro Sekunde von einem Messgerät erfasst und von einem Rechner ge­ speichert.

Die innere Platte (3) befindet sich im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebungstempe­ ratur von etwa 20°C. Der Sensor wird auf eine Temperatur von 78°C erwärmt und die Mes­ sung gestartet. Der Sensor wird auf die Messstelle an der Dämmplatte aufgedrückt. Nach etwa 20 Sekunden wird die Messung beendet und der Sensor von der Messstelle entfernt. Die Mes­ sung wird mit einem weiteren Probenstück wiederholt, das nur auf einen Gasdruck von 10 mbar evakuiert worden ist. Die unterschiedlichen Temperaturverläufe sind in der Fig. 2 dar­ gestellt. Man erkennt, dass die Temperatur bei höherem Gasdruck deutlich schneller sinkt. Unterhalb der Temperatur von 74°C kann der Temperaturverlauf in etwa durch eine konstan­ te Steigung beschrieben werden. Bei dem Gasdruck 10 mbar fällt die Temperatur um etwa 0,55 K/s, beim Gasdruck 1 mbar um 0,29 K/s. Dadurch kann eindeutig zwischen den beiden Gasdruckbereichen unterschieden werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung für ein thermisches Messverfahren zur Bestimmung des Gasdruckes in einer folienumhüllten, evakuierten Wärmedämmplatte, gekennzeichnet durch eine gut wärmeleitende kleine Platte (3) als Temperaturreservoir mit einer dünnen Auflage (4) eines offenporigen Materials, das eine gröbere Porenstruktur aufweist als die Wärme­ dämmplatte, wobei die kleine Platte mitsamt Auflage (4) zwischen Dämmkern und Umhüllungsfolie der Vakuumdämmplatte eingebaut ist.

2. Verfahren zur Bestimmung des Gasdruckes in einer folienumhüllten, evakuierten Wärmedämmplatte, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorplatte (5), die eine deut­ liche Temperaturdifferenz zu der in der evakuierten Wärmedämmplatte sich befinden­ den Vorrichtung nach Anspruch 1 aufweist, auf die von der Umhüllungsfolie (2) ab­ gedeckte Vorrichtung nach Anspruch 1 von außen aufgepresst wird, so dass ein vom Gasdruck im Inneren der Wärmedämmplatte abhängiger Wärmestrom entsteht, der messtechnisch erfasst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorplatte (5) eine wärmeleitende Platte (5) mit einem an der rückseitigen Oberfläche oder im Volumen befestigten Temperatursensor (6) dient.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sensorplatte (5) und Umhüllungsfolie (2) ein Wärmeflussmesser aufgelegt wird, der an einer gegebe­ nenfalls elektrisch geregelten Wärmequelle oder -senke angekoppelt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Platte (3) aus Metallen wie Aluminium, Kupfer, Eisen oder einer gut wärmeleitenden Keramik be­ steht, rund oder quadratisch ausgeführt ist, eine Stärke zwischen 0,2 mm und 5 mm, bevorzugt 1 mm bis 3 mm aufweist und Durchmesser bzw. Kantenlängen zwischen 5 mm und 100 mm, bevorzugt 10 mm bis 30 mm betragen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Platte (3) als Bodenteil eines Behälters für ein Gettermaterial ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage (4) aus ei­ nem Polypropylen- oder Polyester-Microfaservlies, aus Microglasfaserpapier, aus Glasfaservlies, aus einer dünnen Lage offenporigen Schaumstoffes, aus einer Schicht Aerogel, aus Kieselgur oder einem anderen gepressten feinen Pulver mit Stärken zwi­ schen 0,05 mm und 2 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 0,3 mm, besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte (5) maxi­ mal die in Anspruch 5 genannten Durchmesser und Kantenlängen der inneren Platte (3) hat, eine Stärke zwischen 0,5 mm und 10 mm, bevorzugt 1 mm bis 3 mm aufweist und aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer, Silber, Aluminium oder Eisen besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte (5) rückseitig und seitlich von einem Wärmedämmstoff (7) umgeben ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorplatte (5) von einer dosen- oder ringförmigen, metallischen Hülle (8) umgeben ist, die auf etwa die gleiche Ausgangstemperatur wie die Sensorplatte (5) gehalten wird.