ITMI20001488A1 - Pannello evacuato per l'isolamento termico di corpi cilindrici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“PANNELLO EVACUATO PER L’ISOLAMENTO TERMICO DI CORPI CILINDRICI

La presente invenzione si riferisce ad un pannello evacuato che consente di ottenere l’isolamento termico di un corpo sostanzialmente cilindrico.

I pannelli evacuati, ed in particolare quelli realizzati con materiali plastici, stanno trovando un crescente impiego in tutti i settori in cui è richiesto l’isolamento termico a temperature inferiori a circa 100°C. Come esempi di applicazioni si possono ricordare le pareti di frigoriferi domestici e industriali, delle macchine distributrici di bevande (in cui l’isolamento termico è richiesto soprattutto per separare la parte delle bevande calde, generalmente a circa 70°C, da quella delle bevande fredde), o dei contenitori per il trasporto isotermico, per esempio di medicinali o cibi freddi o surgelati. Sono anche allo studio applicazioni di questi pannelli nel settore dell’edilizia o nell’industria automobilistica.

Come noto, un pannello evacuato è costituito da un involucro, avente spessore generalmente di alcune decine o centinaia di micrometri, al cui interno è presente un materiale di riempimento, di spessore compreso tra alcuni millimetri e alcuni centimetri.

II trasporto di calore tra i due lati del pannello è dovuto alla somma di quattro fenomeni principali, che sono la conduzione nel materiale di riempimento; la convezione dovuta alle tracce di gas presenti nel pannello; l’irraggiamento all’interno del palmello; ed infine la conduzione nel loglio o nei fogli che costituiscono l’involucro, nota nel settore come "effetto pelle", eventualmente attraverso il ponte termico che si forma al bordo del pannello nelle zone di saldatura di detti fogli.

L’involucro ha lo scopo di impedire (o ridurre quanto più possibile) l’ingresso dei gas atmosferici all’ interno del pannello, così da ridurre il contributo della convezione al trasporto totale di calore. Allo scopo l’involucro è realizzato con fogli cosiddetti "barriera", caratterizzati da una permeabilità ai gas quanto più possibile ridotta, che possono essere costituiti da un singolo componente ma più comunemente sono multistrati di componenti diversi. Nel caso dei multistrati l’effetto barriera è conferito da uno degli sitati componenti, mentre gli altri strati hanno generalmente funzioni di sostegno meccanico e di protezione dello strato barriera. L'effetto barriera più efficace è ottenuto inserendo un foglio metallico (generalmente alluminio di spessore di 4-10 pm) tra due o più fogli in materiale plastico; siccome i metalli sono buoni conduttori di calore, lo spessore dello strato di alluminio è determinato dal compromesso tra l'esigenza di massimizzare la barriera all'ingresso dei gas e quella di minimizzare l'effetto pelle.

Il materiale di riempimento ha la funzione di mantenere distanziate le due facce opposte dell’involucro quando si pratica il vuoto nel pannello. Questo materiale può essere inorganico, come per esempio polvere di silice, fibre di vetro, aerogeli, terra di diatomee, ecc.; oppure organico, come schiume rigide di poliuretano o polistirene, sia in forma di tavole che di polveri. Il materiale di riempimento deve comunque essere poroso o discontinuo, in modo da poter evacuare le porosità o gli interstizi. Lo spessore del materiale di riempimento (e quindi del pannello) è determinato dalle caratteristiche di isolamento richieste: un isolamento migliore è ovviamente ottenuto con maggiori spessori del materiale di riempimento. Poiché la permeazione di tracce di gas atmosferici all’interno del pannello è praticamente inevitabile, quasi sempre questi pannelli contengono anche uno o più materiali (generalmente riferiti come materiali getter) in grado di assorbire questi gas mantenendo così la pressione all’interno del pannello ai valori desiderati.

I pannelli evacuati noti sono rigidi, ed hanno generalmente una configurazione piana. Tuttavia, esistono numerose applicazioni in cui sarebbe desiderabile poter impiegare questi pannelli, ma in cui le superfici da isolare sono curve, e principalmente cilindriche. In alcune di queste applicazioni il materiale isolante può essere applicato esternamente ed a vista, come nel caso di tubature per il trasporto di fluidi a temperatura diversa da quella ambiente, per esempio condutture per il condizionamento o riscaldamento, o per il trasporto di fluidi in impianti industriali. In alternativa, l'isolante può essere disposto in un'intercapedine, come nel caso dei boiler, dei contenitori come Dewars o bottiglie termiche, o dei condotti utilizzati per il trasporto di petrolio nelle regioni artiche.

Uno dei metodi finora utilizzati per realizzare l’isolamento termico di corpi aventi superfici non planari consiste nel congiungere tra loro più pannelli piatti, per esempio incollandone i bordi con adesivi, in modo da ottenere una struttura composita che può essere piegata lungo le linee di giunzione in modo da adattarla alla forma del corpo da isolale. Questa soluzione è però poco soddisfacente, perché l’insieme dei pannelli non è in intimo contatto (se non in alcuni punti) con le superfici da isolare, ed inoltre si verificano passaggi dì calore in corrispondenza delle giunzioni, col risultato di una scarsa efficienza di isolamento termico.

La domanda di brevetto W096/32005 a nome della società britannica ICI descrive un metodo per realizzare pannelli evacuati rigidi di forma non planare. Il metodo consiste nel praticare nel materiale di riempimento (una tavola di una schiuma polimerica di spessore pari a quello del pannello che si vuole realizzare), prima della fase di evacuazione, delle scanalature disposte nella direzione desiderata ed aventi ampiezza e profondità opportune. Successivamente, il materiale di riempimento viene inserito in un involucro ed il tutto viene sottoposto alla fase di evacuazione. Infine, il pannello evacuato viene sigillato. Alla prima esposizione in aria, l'involucro viene forzato dalla pressione atmosferica ad aderire alla superficie delle scanalature; per effetto delle forze di trazione che si esercitano sull'involucro, i pannelli si ripiegano lungo le scanalature e assumono la forma definitiva non planare. Con una serie di scanalature parallele e abbastanza ravvicinate, la forma risultante del pannello è approssimativamente cilindrica.

Questo metodo presenta però una serie di inconvenienti. In primo luogo, lo spessore del pannello non è uniforme in tutte le sue parti, essendo minore in corrispondenza delle linee di piegatura, con conseguenti ridotte proprietà di isolamento termico lungo tali linee di piegatura. In secondo luogo in seguito alla trazione esercitata in corrispondenza delle scanalature, si possono creare nell’ involucro delle rotture, anche microscopiche, che diventano dei canali preferenziali per la permeazione di gas verso l’ interno del pannello, compromettendo definitivamente la proprietà di isolamento termico del palmello stesso. Inoltre forma, dimensioni, distanze e posizionamenti reciproci delle scanalature determinano in modo rigido la fonna finale del pannello non planare, per cui questi pannelli devono essere prodotti "ad hoc" per ogni singola applicazione. Infine, la curvatura di questi pannelli avviene alla prima esposizione all'aria, e cioè durante il processo di produzione o in un momento immediatamente successivo: di conseguenza questi pannelli presentano, non appena prodotti, un notevole ingombro, che ne rende poco conveniente lo stoccaggio ed il trasporto.

Scopo della presente: invenzione è pertanto quello di fornire un pannello evacuato per l’isolamento termico di corpi con una superficie laterale curva cilindrica che sia esente da tali inconvenienti. Detto scopo viene conseguito con un pannello evacuato le cui caratteristiche principali sono specificate nella prima rivendicazione ed altre caratteristiche sono specificate nelle rivendicazioni successive.

Vantaggi e caratteristiche del palmello della presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la figura 1 rappresenta un esempio di cilindro secondo la sua definizione geometrica estesa;

- la figura 2 mostra un corpo cilindrico retto ottenuto dalla Fig.l, che è possibile isolare termicamente con un pannello dell'invenzione;

- la figura 3 mostra in spaccato un pannello evacuato della presente invenzione nella sua forma planare;

- la figura 4 rappresenta in fonna schematica una condizione geometrica che deve essere soddisfatta dai pannelli dell'invenzione;

~ le figure 5 e 6 rappresentano in vista prospettica esempi di applicazione dei pannelli dell'invenzione.

I pannelli della presente invenzione si differenziano da quelli della tecnica nota perché realizzano lo spessore totale di isolamento richiesto con almeno due avvolgimenti di un pannello di basso spessore intorno al corpo da isolare.

Questa nuova configurazione porta una serie di vantaggi. In primo luogo, in un pannello tradizionale il calore dall'ambiente esterno si propaga al foglio esterno che costituisce l'involucro e, attraverso il bordo del palmello, al foglio dell'involucro a contatto col corpo da isolare. Al contrario, nei pannelli dell'invenzione la parte a contatto con l'ambiente esterno trasmette calore attraverso l'involucro ad un successivo strato del palmello arrotolato. Il calore deve quindi percorrere un cammino a spirale lungo la faccia inferiore del pannello prima di raggiungere il suddetto corpo da isolare. In questo modo, l'effetto pelle viene fortemente ridotto, fino a valori trascurabili come contributo nella conduzione di calore tra le due facce del pannello.

Inoltre, con i pannelli dell'invenzione lo spessore di isolamento è ottenuto come multiplo dello spessore, costante, del pannello, evitando le scanalature della domanda di brevetto WO96/3260:5 che rappresentano zone di spessore ridotto e quindi di maggior conducibilità termica tra le due facce del pannello. Rispetto ai pannelli della domanda WO96/32605, inoltre, nei pannelli evacuati secondo la presente invenzione le numerose piccole pieghe formate sul lato interno dell’involucro all’atto della piegatura non rischiano, per la loro piccola entità, di provocare una rottura dell’involucro stesso e di conseguenza una permeazione dei gas atmosferici verso l’interno del pannello.

Infine, oltre a questi vantaggi di isolamento termico, i pannelli evacuati della presente invenzione vengono prodotti, stoccati e trasportati al luogo dell’applicazione finale in forma piana, con notevole risparmio di spazio e costi; ciascun pannello viene poi arrotolato e fissato intorno al corpo da isolare nella località e al momento dell'effettivo impiego.

Alcune definizioni e condizioni geometriche rilevanti per la comprensione dell’invenzione sono riportate nel seguito con riferimento alle figure 1 e 2.

Il termine "cilindro" (ed i termini derivati) verrà usato nella presente invenzione nella sua accezione geometrica più estesa rappresentata in figura 1, cioè la superficie S determinata da una retta R intersecante un piano P con un angolo a e che si muove parallelamente a sé stessa lungo una linea curva chiusa C giacente in detto piano P.

La figura 2 mostra un generico corpo solido 1 che può essere isolato termicamente mediante un pannello dell'invenzione: questo corpo solido ha una parete laterale S' che è costituita da una porzione di lunghezza L della superficie cilindrica S della figura 1, e due basi che hanno come perimetro la curva C; dette due basi sono definite dall'intersezione della superficie S con due piani tra loro paralleli, rappresentati in questo caso perpendicolari alla retta R, cosi che le curve C e C' sono uguali nel caso in cui l'angolo a sia uguale a 90°. Il corpo 1 può essere pieno, ma nelle applicazioni comuni dei pannelli evacuati può essere vuoto internamente, per esempio nel caso di un contenitore o una conduttura per fluidi.

L'applicazione pratica più importante dei pannelli dell'invenzione è per l'isolamento dei corpi la cui parete laterale S' è una porzione della superficie S ottenuta quando l'angolo a è uguale a 90° e la curva C è una circonferenza (cilindri comunemente detti).

Con riferimento alla figura 3, si vede che il pannello evacuato· 2 secondo la presente invenzione è costituito in modo noto da un materiale di riempimento 3 racchiuso in un involucro 4, per esempio multistrato. Il pannello 2 ha la forma di un parallelepipedo di spessore, h, molto ridotto, e con dimensioni laterali 11 e 12. La forma può essere conferita al pannello dal materiale di riempimento 3 quando questo è una tavola, per esempio di una schiuma polimerica. Nel caso in cui materiale di riempimento non abbia una forma propria (polveri), il pannello viene formato in sede di produzione, introducendo la polvere in una busta, evacuando la busta mentre questa è mantenuta in uno stampo opportuno, ed infine sigillando il lato aperto della busta a formare l'involucro finale; la forma conferita dallo stampo viene poi mantenuta per la pressione esterna che, attraverso l'involucro, viene esercitata sulle polveri mantenendole compatte. Preferito per gli scopi dell'invenzione è l'impiego come materiale di riempimento di tavole di schiume polimeriche, in particolare il poliuretano rigido a celle aperte, ben noto nel settore dei pannelli evacuati.

Particolarmente allatti per la realizzazione dell’mvolucro 4 sono i fogli multistrato, che comprendono generalmente almeno uno strato, di spessore relativamente elevato, di un materiale polimerico dotato di buone caratteristiche meccaniche, in particolare plasticità, che costituisce il supporto meccanico del multistrato; almeno uno strato di materiale con proprietà di barriera per i gas atmosferici, che può essere polimerico o inorganico, preferibilmente un metallo e ancor più preferibilmente alluminio; e almeno un altro strato polimerico, a copertura e protezione meccanica dello strato barriera. Sono comuni anche multistrati composti da cinque, sei o anche più strati sovrapposti. La produzione dell'involucro a partire da questi è generalmente realizzata per termosaldatura, con tecniche note nel settore.

Per garantire una durata di vita di almeno quindici anni, i pannelli dell'invenzione contengono preferibilmente uno o più materiali getter, cioè materiali in grado di assorbire chimicamente umidità e altri gas atmosferici. Preferito è l'impiego di sistemi getter a due o tre materiali getter, contenenti almeno un assorbitore chimico di umidità e almeno un componente scelto tra un ossido di un metallo di transizione (con funzione principale di assorbimento di idrogeno, CO, e idrocarburi) e una lega a base di bario e litio (con funzione principale di assorbimento di azoto). Vari sistemi getter di questo tipo sono venduti dalla Richiedente sotto il nome COMBOGETTER . tra cui in particolare sistemi contenenti un assorbitore di umidità e polvere di lega a base di bario e litio, descritti nel brevetto EP-B-769117; e sistemi getter contenenti un assorbitore di umidità e un ossido di un metallo di transizione, con l'aggiunta opzionale di polvere di lega a base di bario e litio, descritti nella domanda di brevetto EP-A-757920.

Lo spessore del pannello, h, deve essere tale da consentirne la piegabilità senza che si danneggi l'integrità dello stesso. Questa caratteristica dipende sia dal materiale di riempimento del pannello, sia dall'applicazione prevista. È generalmente noto che è possibile deformare elasticamente un corpo planare flessibile in modo da curvarlo applicando uno sforzo in punti diversi di questo: detto sforzo è direttamente proporzionale al cubo del suo spessore ed inversamente proporzionale al raggio di curvatura che si vuole ottenere, con una costante di proporzionalità differente per ogni materiale che dipende dalle sue proprietà meccaniche. Secondo questa relazione, applicando forze via via maggiori ad un pannello inizialmente piano di un dato spessore si ha un incremento della curvatura. Sottoposto a forze eccessive però il pannello si rompe. Il parametro più importante nel determinare la possibilità di impiegare un dato pannello in una data applicazione è il rapporto h/r, dove h è lo spessore del pannello e r il raggio di curvatura della curva C (che costituisce la sezione del corpo 1): con riferimento al disegno di figura 4, il pannello dell'invenzione deve essere tale che, in ogni punto della curva C, il rapporto h/r sia non superiore ad un valore dato per ógni materiale di riempimento. È stato trovato che questo valore massimo del rapporto h/r è di circa 0,20 per schiume poliuretaniche rigide, di circa 0,18 per tavole in schiuma polistirenica e di circa 0,10 per materiali di riempimento in polvere. Come esempio pratico, un pannello con riempimento in schiuma poliuretanica da avvolgere intorno ad un corpo con raggio di curvatura minimo di circa 50 mm può avere uno spessore massimo di circa 10 mm. Una tavola di schiuma poliuretanica di questo spessore può essere ottenuta tagliando in senso orizzontale, cioè parallelamente alle loro facce principali, le tavole più spesse usualmente utilizzate per la produzione dei pannelli piani di tipo noto. Alternativamente, è possibile ridurre lo spessore di dette tavole mediante compressione, secondo una procedura nota nella tecnica.

Il palmello rappresentato in figura 4 è atto ad essere avvolto per almeno due volte intorno alla parete laterale curva S' di un corpo cilindrico; pertanto le due facce principali opposte di tale pannello hanno la forma di un rettangolo allungato, di lati 11 e 12. Una delle dimensioni (12 nell'esempio del disegno) è almeno doppia rispetto alla lunghezza della curva C, di modo da poter realizzare almeno due spire di avvolgimento intorno al corpo da isolare. 11 lato fi è invece uguale alla lunghezza L del corpo da isolare, o ad un sottomultiplo di questa; infatti, come mostrato in figura 5, nel caso che il corpo 1 non abbia una dimensione L eccessiva il suo isolamento termico può essere realizzato con un unico pannello 2; in alternativa, come mostrato in figura 6, nel caso in cui la dimensione L sia elevata (per esempio, il corpo 1 è un tubo), è preferibile realizzare l'isolamento del corpo con più pannelli 2', 2", 2"', ... affiancati.

Infine, i pannelli dell'invenzione possono essere impiegati a vista, per esempio per coibentare tubature per applicazioni civili. In alternativa, questi pannelli possono essere disposti all ’interno di intercapedini, in particolar modo quando la differenza di temperatura da mantenere tra la superficie S' e l'ambiente circostante è elevata; queste condizioni si verificano per esempio nelle applicazioni nei Dewars, nelle bottiglie termiche, o nelle tubature criogeniche o posizionate in regioni particolarmente fredde, come le regioni artiche. Nel caso di impiego in un'intercapedine, lo spessore h del pannello, oltre a dover soddisfare le richieste precedentemente indicate, dovrà anche essere non superiore a metà dello spessore dell'intercapedine.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pannello evacuato (2) per l’isolamento termico di un corpo cilindrico (1) di lunghezza (L) con una parete laterale (S') e due basi aventi come perimetro una curva (C), detto pannello essendo provvisto di due facce principali sostanzialmente rettangolari e costituito da un involucro (4) flessibile realizzato con uno o più fogli barriera il quale contiene un materiale di riempimento (3) inorganico o polimerico, discontinuo o poroso, in cui: - Io spessore del pannello (h) è uguale o inferiore alla metà dello spessore di isolamento richiesto e tale che il rapporto (h/r) tra lo spessore del pannello ed il minimo raggio di curvatura (r) della curva (C) è inferiore in ogni punto di detta curva ad un valore che dipende dal materiale di riempimento del pannello; e - un lato del pannello ha lunghezza (12) pari ad almeno due volte la lunghezza di detta curva (C).
2. 2. Pannelto secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale di riempimento (3) è una schiuma poliuretanica a celle aperte e il rapporto (h/r) è inferiore a circa 0,20.
3. 3. Pannello secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale di riempimento (3) è una schiuma polistirenica a celle aperte e il rapporto (h/r) è inferiore a circa 0,18.
4. 4. Pannello secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale di riempimento (3) è in polvere e il rapporto (h/r) è inferiore a circa 0,10.
5. 5. Pannello secondo la rivendicazione 1, in cui detta curva (C) è una circonferenza.
6. 6. Pannello secondo la rivendicazione 1, in cui un lato ha lunghezza (li) pari alla lunghezza (L) del corpo (1), o ad un sottomultiplo di questa.
7. 7. Palmello secondo la rivendicazione 1, in cui l'involucro (4) è realizzato con uno o più fogli multistrato, comprendenti almeno uno strato di un materiale polimerico con buona plasticità; almeno uno strato di materiale con proprietà di barriera per i gas atmosferici; e almeno un altro strato polimerico termosaldabile.
8. 8. Pannello secondo la rivendicazione 7, in cui lo strato barriera è realizzato in alluminio di spessore compreso tra 4 e 10 μηι.
9. 9. Pannello secondo la rivendicazione 1, contenente inoltre un materiale o un dispositivo getter.
10. 10. Pannello secondo la rivendicazione 9 in cui detto dispositivo getter comprende almeno un assorbitore chimico di umidità e almeno un componente scelto tra un ossido di un metal lo di transizione e una lega a base di bario e litio.