DE19704323C1 - Evakuierter Hohlkörper zur Wärmedämmung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlkörper zur Wärmedämmung, der zwei im wesentlichen ebene und zueinander im wesentlichen parallel verlaufende Hauptseiten besitzt und mindestens bis zum Beginn der Molekularströmungsbedingungen evakuiert ist, wobei der Innenraum des Hohlkörpers mit einem Stützkörper aus faserartigem Material geringer Wärmeleitfä­ higkeit gefüllt ist.

Die Erfindung gehört in den Bereich der Vakuum-Supe­ risolation, deren älteste Anwendungen schon im vorigen Jahr­ hundert als Thermoskanne bekannt waren. In dem Innenraum des Hohlkörpers wird ein Druck von beispielsweise unter 10^-3 mbar hergestellt, so daß für die verbleibenden Gase Molekular­ strömungsbedingungen entstehen, d. h. die Moleküle sich prak­ tisch nicht mehr aneinander, sondern praktisch nur noch an den Wänden des Gefäßes stoßen. Um zusätzlich die Wärmestrah­ lung zu behindern, werden die Innenflächen des Hohlkörpers verspiegelt.

In letzter Zeit wurde dieses Prinzip von als konzen­ trische Doppelrohre ausgebildeten Hohlkörpern auch auf ande­ re Formen ausgedehnt, nämlich auf plattenförmige Hohlkörper mit zwei flachen, parallelen Hauptseiten. Dabei ergibt sich die Notwendigkeit einer inneren Abstützung der beiden Haupt­ seiten gegeneinander, die sich sonst aufgrund des Druckun­ terschieds zur Außenatmosphäre einander annähern würden. Während stabile Stützen ausscheiden, denn sie bilden Wärme­ brücken, hat man positive Erfahrungen mit pulver- oder fa­ serartigen Füllungen aus Kieselerde, Diathomeenerde sowie Glas oder Keramikfasern gemacht. Die Füllung dient nicht nur zur Abstützung gegen den äußeren atmosphärischen Druck, son­ dern durch die vielen Grenzflächen auch als Barriere für die Wärmestrahlung. Durch die Punktberührung zwischen den ein­ zelnen Teilchen der Füllung wird die Festkörper-Wärmeleitung der verwendeten Materialien stark herabgesetzt. So erreicht man mit solchen pulvergefüllten Hohlkörpern eine Wärmeleit­ fähigkeit von 2 mW.m.K^-1, d. h. Werte, die um mindestens den Faktor 10 besser als die besten Kunststoffschäume sind.

Außerdem ergeben sich Molekularströmungsbedingungen in einem solchen mit Pulvern oder Fasern gefüllten Hohlkör­ per bereits bei einem höheren Grenzdruck von zwischen 0,1 und 10 mbar, d. h. bei Werten, die um mindestens den Faktor 100 höher liegen als in einem reinen Vakuumgefäß.

Um nach dem Evakuieren des Hohlkörpers eine kontrol­ lierte Enddicke der Füllung zu erreichen, die die gewünschte Abstützung bewirkt, mußte bisher das Faserpaket, ein soge­ nanntes Faserboard, bei Temperaturen von 400 bis 600°C und einem Preßdruck von 1 Bar getempert werden.

Als Material für die Wände des Hohlkörpers kommen Glasscheiben, Metallbleche oder diffusionsfeste Kunststoff­ folien in Frage. Der abschließende Randstreifen, der die beiden Hauptseiten verbindet, sollte keine Wärmebrücke bil­ den und wird oft aus einem Sandwich von Folien verschiedener Materialien gebildet, das mit den Hauptseiten verschweißt oder durch Kleber verbunden wird.

Ein Problem der mit Pulver oder Fasern gefüllten Hohlkörper zur Wärmedämmung ergibt sich beim Abpumpen des Innenraums des Hohlkörpers, um die gewünschten Molekular­ strömungsbedingungen zu erreichen. Die stark vergrößerte innere Oberfläche entgast nämlich nur langsam, und die bis­ her verwendeten Materialien widersetzen sich wegen ihrer Adsorptionseigenschaften einer dauerhaften Entgasung. Ein anderes Problem ist die mangelnde mechanische Stabilität, insbesondere von Pulverschüttungen, gegenüber Vibrationen, so daß die Stützeigenschaft der Füllung auf Dauer nicht ge­ währleistet war.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen evakuierten Hohlkörper der oben angegebenen Art zur Wärmeisolierung, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der zuverlässig auf einen Enddruck evakuiert werden kann, bei dem Molekularströmungsbedingungen herrschen, und der seine Stützeigenschaften bei mechanischen Belastungen wie z. B. Vibrationen nicht verliert.

Diese Aufgabe wird durch den Hohlkörper gelöst, der in Anspruch 1 definiert ist, bzw. durch das Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Anspruch 11.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele und der bei liegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Sonnenkollektor mit einem erfin­ dungsgemäßen Hohlkörper.

Fig. 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Hohlkörpers aus Fig. 1, der sich beispielsweise für eine Fußbodenheizung eignet.

Fig. 3 zeigt schematisch, wie ein Hohlkörper gemäß den Fig. 1 und 2 evakuiert und dann vakuumdicht ver­ schlossen werden kann.

In Fig. 1 ist ein Hohlkörper 1 in Form einer doppel­ wandigen Wanne zu sehen, die mit einer wärmestrahlungsdurch­ lässigen Platte 2 abgedeckt ist. Diese Platte kann bei­ spielsweise aus Glas sein und mit Siliziumoxid SiO₂ beschich­ tet sein. Die Unterseite der Platte 2 kann mit einer dünnen Silberschicht versehen sein, um eine Abstrahlung von Wärme durch die Platte 2 hindurch nach außen einzuschränken. Zwi­ schen dem Hohlkörper 1 und der Platte 2 herrscht ein Vakuum von ≦ 10^-3 mbar.

Auf dem Grund der Wanne befindet sich der eigentliche Sonnenkollektor in Form einer gewellten Folie 3 aus Metall mit einer Beschichtung von z. B. Titanoxinitrit, die die durch die Platte 2 ankommende Wärmestrahlung absorbiert und die Wärme an ein Wärmeträgerfluid abgibt, das zwischen die­ ser Folie und dem Grund der Wanne 1 in Kanälen 4 zirkuliert.

Wichtig für einen hohen Wirkungsgrad eines solchen Sonnenkollektors ist eine möglichst gute Wärmedämmung zwi­ schen diesen Kanälen 4 und der Unterseite der Wanne 1. Daher ist die Wanne als ein doppelwandiger Hohlkörper ausgebildet, der, wie oben erwähnt, eine Füllung hauptsächlich aus Stein­ wolle zur Abstützung des Innenraums des Hohlkörpers gegen den Atmosphärendruck besitzt, da dieser Innenraum auf einem Unterdruck liegen muß, bei dem Molekularströmungsbedingungen herrschen.

Der Hohlkörper besteht aus zwei Hälften 5, 6, die entlang des Kontaktbereichs mit der transparenten Platte 2 miteinander verbunden sind. Die beiden Wannenhälften 5, 6 sind aus einem harten Metall wie z. B. Weißblech einer Dicke von 0,4 mm. Der Randstreifen 7, der die beiden Wannenhälften im Kontaktbereich mit der Platte 2 verbindet, soll eine mög­ lichst geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen und besteht daher aus einem wesentlich dünneren Blech, das beschichtet sein kann. Als Randstreifen 7 kommt auch eine mehrlagige Kunststoffolie oder eine metallbeschichtete Kunststoffolie in Frage, vorzugsweise verbindet man die beiden Wannenhälften mit dem Randstreifen durch Verklebung, indem man die Verbin­ dungsstellen mit Plasma- oder Silicoaterverfahren (Flamm- CVD) vorbehandelt und dann mit einem fluorierten Kleber dif­ fusionsdicht verklebt.

Es wäre auch möglich, den Randstreifen und die beiden Wannenhälften durch Bördeln ähnlich wie bei einer Gemüsedose zu verbinden.

Ehe die beiden Wannenhälften zusammengefügt werden, bereitet man einen Stützkörper 8 vor, der genau den Innen­ raum des Hohlkörpers füllt, indem man Steinwollfasern, deren typische Faserdurchmesser bei 10 µm liegen, mit einem Faser­ bindemittel mischt, das etwa 1 bis 3 Gew.-% des Fasergewichts ausmacht. Als Faserbindemittel kommt beispielsweise Wasser­ glas (Natrium- oder Kaliumsilikat) oder ein organisches Bin­ demittel wie ein Plasmapolymerisat (Polystyrol, Methylmetha­ crylat), Hexamethyldisiloxan (HMD-(S)) oder ein Polykonden­ sationsharz (Phenol-, Kresol-, Melamin- oder Harnstoffharz) in Frage. Die Menge des Bindemittels ist so gewählt, daß die Fasern sich zwar an ihren Kreuzungspunkten miteinander ver­ kleben, aber die Hohlräume zwischen den Fasern nicht gefüllt werden. Dieser Stützkörper 8 wird dann unter einem Druck von etwa 1 Bar in die gewünschte Form gepreßt, die der des In­ nenraums der Wanne 1 entsprechen soll.

Der so stabilisierte Stützkörper 8 wird also zwischen die beiden Wannenhälften 5, 6 gelegt, worauf diese vakuum­ dicht wie oben erwähnt miteinander verbunden werden.

Es kann sinnvoll sein, den Steinwollefasern Zeolith­ körner mit einem Gewichtsanteil von bis zu 10% hinzuzufügen, um in dem Innenraum des Hohlkörpers verbleibende Wasser- oder organische Dämpfe zu absorbieren.

Fig. 2 zeigt eine Variante des Hohlkörpers 1 aus Fig. 1, bei der die beiden Hauptseiten des Hohlkörpers nicht exakt parallel verlaufen. Während die untere Hauptsei­ te 10 des Hohlkörpers eben ist, wurde für die gegenüberlie­ gende obere Hauptseite 11 eine wellenförmige Strukturierung gewählt, die zusammen mit einer auf diese Struktur aufgeleg­ ten ebenen Abdeckung 12 Kanäle 13 definiert, durch die ein Wärmeträgerfluid ähnlich wie durch die Kanäle 4 in Fig. 1 geschickt werden kann. Die gewellte Form der Hauptseite 11 des Hohlkörpers hat außerdem die Aufgabe einer Kompensation von Längenveränderungen zwischen der Hauptseite 11 und der Platte 12 bei unterschiedlichen Temperaturen. Der Hohlkörper aus Fig. 2 kann auch wannenförmig gestaltet sein und dann in einem Sonnenkollektor nach Art der Fig. 1 Verwendung finden. Er kann aber auch als Wärmedämmung für die Rückseite einer Fußbodenheizung oder ganz allgemein einer Heizung ei­ ner Wand 12 dienen, d. h. daß das Wärmeträgerfluid in diesem Fall Wärme zuführen und nicht abführen muß. Der Randstreifen 14 ist wie in Fig. 1 wieder aus einem Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit.

Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Aus­ schnitt aus einem Hohlkörper gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 mit einer unteren Hauptseite 15, einer oberen Hauptseite 16, mit einem Stützkörper 17 zwischen den beiden Seiten und mit einer abnehmbaren Vorrichtung 18, die dicht auf eine Pump­ öffnung 25 in der oberen Hauptseite 16 des Hohlkörpers auf­ gesetzt ist. Die Vorrichtung ist über Ventile 19, 20, 21, 22 an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe bzw. an einen Quelle für extrem trockene Luft oder ein anderes Gas wie Stick­ stoff, bzw. an eine Quelle für ein Edelgas wie Xenon oder Argon angeschlossen. Das Vakuum im Stützkörper bzw. in der Vorrichtung 18 wird durch ein Vakuummeßgerät 23 während der Evakuierungsphase laufend überwacht.

Die Evakuierung erfolgt nicht, wie in klassischen Verfahren, in einem Zug, sondern durch abwechselnd zykli­ sches Pumpen und Einspeisen von trockener Luft oder Stick­ stoff, wobei diese Zyklen solange wiederholt werden, bis dauerhaft der gewünschte Druck erreicht wird.

Um die zur Entgasung und Trocknung notwendige Energie in den Stützkörper 17 einzubringen, wird eine Plasmaentla­ dung im Stützkörper hervorgerufen. Sind die beiden Hauptsei­ ten 15 und 16 aus Metall, während die Randstreifen (in Fig. 3 nicht sichtbar) isolierend sind, kann das Plasma durch Anlegen von entsprechenden Potentialen an diese Seiten er­ zeugt werden. Ansonsten kann das Plasma über elektrische Durchführungen oder induktiv eingekoppelt werden.

Nach dem letzten Entgasungszyklus kann man eine be­ stimmte Menge Edelgas, z. B. Xenon, in den Stützkörper ein­ lassen (bis zu einem Druck von etwa 7 mbar), um die Wärme­ konvektion weiter zu verringern.

Danach wird die Pumpöffnung 26 mit einer diffusions­ dichten Folie 24 verklebt, die bereits in der Vakuumkammer der Vorrichtung 18 bereitgehalten wird und durch einen heiz­ baren Stempel 25 auf die Öffnung 26 gedrückt wird.

Die Erfindung ist nicht auf Sonnenkollektoren oder Wandheizungen beschränkt, sondern generell anwendbar, wenn eine hohe Wärmedämmung auf kleinstem Raum gefordert wird. Dies gilt beispielsweise für Wärmespeicher, insbesondere Solarwärmespeicher, bei denen im Sommer die Wärme für die Winterheizung geladen wird. Der erfindungsgemäße Hohlkörper kann auch als sogenannte Isoplatte im Haushalt oder im Labor und zur Wärmedämmung von Heizschränken, Gefrieranlagen, Va­ kuumtrockenanlagen, Kühlboxen, Kühlhäusern usw. eingesetzt werden.

Claims (13)

1. Evakuierter Hohlkörper zur Wärmedämmung, der zwei im we­ sentlichen ebene und zueinander parallel verlaufende Haupt­ seiten (5, 6; 10, 11; 15, 16) besitzt und mindestens bis zum Beginn der Molekularströmungsbedingungen evakuiert ist, wo­ bei der Innenraum des Hohlkörpers (1) mit einem Stützkörper (8; 17) aus faserartigem Material geringer Wärmeleitfähig­ keit gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material im wesentlichen aus Steinwollefasern besteht, die mit 1 bis 3 Gew.-% Faserbindemittel stabilisiert sind.

2. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbindemittel Wasserglas ist.

3. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbindemittel ein Plasmapolymerisat (z. B. Polystyrol, Methylmethacrylat) ist.

4. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbindemittel Hexamethyldisiloxan ist.

5. Hohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbindemittel ein Polykondensationsharz wie Phenol-, Kresol-, Melamin- oder Harnstoffharz ist.

6. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine der Hauptseiten (11) außen so strukturiert ist, daß sich beim Auflegen einer Abdeckung (12) auf diese Hauptseite mindestens ein Kanal (13) für ein Wärmeträgerfluid zwischen dieser Hauptseite und der Abdec­ kung ergibt.

7. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den Steinwollefasern Zeolithkörner mit einem Gewichtsanteil von bis zu 10% hinzugefügt sind.

8. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Hauptseiten (5, 6; 10, 11; 15, 16) verbindenden Randstreifen (7; 14) aus einem Material gerin­ ger Wärmeleitfähigkeit bestehen.

9. Hohlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hauptseiten verbindenden Randstreifen (7; 14) aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.

10. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindung des Randstreifens mit min­ destens einer der Hauptseiten durch Umbördeln erfolgt.

11. Hohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Stützkörper ein Edelgasdruck von bis zu 7 mbar eingestellt ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der an die Innenform des Hohlkörpers angepaßte Stützkörper (8; 17) hergestellt wird, der dann in den aus den beiden Hauptseiten (5, 6; 10, 11; 15, 16) und den sie verbindenden Randstreifen (7; 14) bestehenden Hohlkörper eingelegt wird, daß dann der Hohlkörper mehrfach abwechselnd ausgepumpt und wieder mit trockenem Gas gefüllt wird, und daß nach dem letzten Abpumpen die Pumpöffnung mit einer Folie (24) vaku­ umdicht verklebt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abpumpens im Stützkörper eine Plasmaentladung erzeugt wird.