DE10114633A1 - Vakuumdämmvorrichtung mit integrierten Vakuumisolationsplatten - Google Patents

Abstract

Vakuumdämmsystem für Kühl- und Gefriergeräte, bestehend aus in den Hohlraum der Außenwand eingelegten folienumhüllten Vakuumdämmplatten und einem Hilfsvakuum zwischen dem Hohlraum und den Vakuumdämmplatten, das die Höhe der Gasdiffusion in die Vakuumdämmplatten drastisch verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumdämmsystem, das zur thermischen Dämmung von Kühl- und Gefriergeräten, Kühlkammern, Kühllastwägen oder anderer Einrichtungen geeignet ist.

Evakuierte, flächenhafte Dämmplatten weisen gegenüber herkömmli­ chen Dämmmaterialien eine extrem verbesserte Dämmwirkung auf. Sie bestehen in der Regel aus einem plattenförmigen, evakuier­ baren und druckbelastbaren Kern, der mit einer Folie hoher Gas- und Wasserdampf-Barrierewirkung umhüllt ist. Zur Herstellung wird der plattenförmige, offenporige Kern z. B. zunächst von ei­ ner Folientasche allseitig umhüllt, in einer Vakuumkammer über einer offengebliebene Seite der Folientasche evakuiert und die offengebliebene Naht der Folientasche in der Vakuumkammer mit einer Siegeleinrichtung verschlossen. Trotz des auf die Vakumm­ dämmplatten lastenden Atmosphärendrucks von 1 bar erreicht man mit geeigneten offenporigen Schäumen, Pulvern oder Fasern als Kern Wärmeleitfähigkeiten zwischen 0,004 und 0,008 W/mK im eva­ kuierten Zustand.

Bei der thermischen Dämmung von z. B. Kühl- und Gefriergeräten werden die evakuierten Dämmplatten in den zu dämmenden Hohlraum eingelegt und mit Polyurethanschaum umschäumt. Auf diese Weise ergibt sich wie bei einer konventionellen vollständigen Aus­ schäumung des Hohlraums mit Polyurethan eine innige Verbindung der Vakuumdämmplatten mit den inneren und äußeren Wandungen des Hohlraums und damit eine ähnliche vorteilhafte steife, statisch tragende Struktur des Dämmkörpers. Ein Nachteil ist jedoch, dass während der Polyurethanumschäumung, bzw. Verklebung der Vakuum­ dämmplatten kurzfristig Temperaturen von über 100°C auftreten, die unter Umständen die Hüllfolien der Dämmplatten beschädigen bzw. ungünstige Auswirkungen auf deren Gasbarrierefunktion haben können.

Als Füllkörper der evakuierten Dämmplatten wurden bisher meist offenporige organische Schäume aus Polyurethan oder extrudiertem Polystyrol verwendet, da diese relativ kostengünstig herzustel­ len sind. Allerdings benötigen diese Schaumstoffe ein relativ gutes Vakuum im Bereich von 0,1 mbar, damit die Wärmeleitfähig­ keit des Restgases sich nicht bemerkbar macht. Steigt z. B. der Gasdruck bei einem offenporigen extrudierten Polstyrol von 0,1 mbar auf 2 mbar an, so verdoppelt sich die Wärmeleitfähigkeit von 0,004 auf 0,008 W/mK. Der Anstieg des inneren Gasdruckes kann zum einen durch Ausgasungen des Materials begründet sein, ist im wesentlichen aber auf nie ganz vermeidbare Diffusion von Gasen aus der umgebenden Atmosphäre durch die Folienumhüllung in den Dämmkern zurückzuführen.

Relativ geringe Gasdruckanstiege in den Dämmkernen mit Bruchtei­ len von mbar pro Jahr können Hüllen aus Aluminiumverbundfolien sicherstellen. Der Gasdruckanstieg ist bei diesen Folienmateria­ lien im wesentlichen durch die Diffusion von Gasen oder Wasser­ dampf durch die Siegelnähte der Folien bestimmt. Ausgasungen und geringere Mengen an aus der Umgebung eindiffundierende Gasen und Wasserdampf kann man mit Hilfe von Gettermaterialien auffangen. Handelsübliche Getter können ein bis fünf mbar Gesamtgasmenge aufnehmen und damit in Verbindung mit Aluminiumverbundfolie den Gasdruck während der Nutzungsdauer des Gerätes auf dem erforder­ lichen Niveau von deutlich unter einem mbar halten.

Alumininiumverbundfolien haben allerdings den Nachteil, dass sie in den Randbereichen der Dämmplatten aufgrund der hohen Wärme­ leitfähigkeit der üblicherweise 6 bis 10 µm starken Aluminiumfo­ lie sehr viel Wärme ableiten. Über diese Wärmebrücke kann insbe­ sondere bei kleineren Plattengrößen weit mehr Wärme übertragen werden als über die gesamte restliche Fläche des Dämmkörpers. Deshalb hat man spezielle Kunststoff-Verbundfolien entwickelt, bei denen z. B. mit Hilfe von Metallisierungen und bestimmten Fo­ lienkombinationen ebenfalls relativ hohe Barrierewerte gegenüber Gase und Wasserdampf erreicht wird. Mit Hilfe dieser Folien kann man den Gasdruckanstieg in der Praxis allerdings nur auf 0,5 bis 2 mbar pro Jahr begrenzen. Um die Dämmwirkung der Vakuumdämm­ platten entsprechend der Nutzungsdauer der Geräte von typischer­ weise 15 bis 20 Jahren möglichst lange vorhalten zu können, muss man die Anzahl der Getterbehälter gegenüber einer Umhüllung mit Aluminiumverbundfolien deutlich erhöhen. Dies führt zu einem er­ höhten Kostenaufwand und ist bei mehr als zwei Getterbehältern pro Dämmplatte nicht mehr praktikabel.

Ein Ausweg ist die Verwendung von mikroporösen Pulverfüllmate­ rialien wie pyrogener Kieselsäuren, Aerogelpulver oder Fällungs­ kieselsäuren. Diese Materialien können im gepressten Zustand Po­ rendurchmesser von weniger als 1 µm aufweisen, und sind damit etwa einen Faktor 50 feiner sind als offenporige Schäume. Infol­ gedessen sind mit mikroporösen Materialien gegenüber den Schäu­ men auch viele höhere Gasdrücke zulässig, bis sich die Wärme­ leitfähigkeit des Gases bemerkbar macht, da die freie Weglänge der Gasmoleküle und damit die Höhe der Wärmeübertragung durch die Kleinheit der Hohlräume stark begrenzt ist. So steigt bei einer Pulverplatte aus pyrogener Kieselsäure bei einem Gasdruck­ anstieg auf 100 mbar die Wärmeleitfähigkeit von 0,004 W/mK auf nur 0,007 W/mK an. Auch bei 1000 mbar Gasdruck liegt die Wärme­ leitfähigkeit mit 0,020 W/mK noch deutlich unter der Wärmeleit­ fähigkeit von ruhender Luft (0,026 W/mK).

Verwendet man daher als Kernmaterial der Vakuumisolationspaneele mikroporöse Pulverplatten, sind handelsübliche spezielle Hoch­ barrierefolien, die einen Gasdruckanstieg von nicht mehr als 2 mbar pro Jahr sicherstellen, für die meisten Anwendungen ausrei­ chend gasdicht. Nachteil der mikroporösen Pulvermaterialien ge­ genüber den offenporigen Schäumen oder anderen anorganischen Pulvermaterialien ist allerdings der relativ hohe Herstellungs­ aufwand der Dämmkerne. Insbesondere für die Anwendung in Kühl- und Gefriergeräten ist man jedoch auf kostengünstige aber effek­ tive Dämmsysteme angewiesen.

Ein direktes Einfüllen von preiswerten, relativ grobporigen Pul­ vermaterialien wie Kieselgur oder Perlit in den Hohlkörper und anschließendes Abdichten und Evakuieren des Hohlkörpers hat sich nicht bewährt. Zum einen ist die Nachverdichtung des eingefüll­ ten, losen Pulvers aufgrund der Druckbelastung durch die meist flexible und nachgebende dünne Wandung des Hohlkörpers beim Eva­ kuieren des Hohlraums zu groß. Zum anderen ist ein vakuumdichtes Verschließen des Hohlraums, so dass im Inneren auf Dauer ein Gasdruck von unter 1 mbar gewährleistet ist, insbesondere dann nicht möglich, wenn eine zumindest teilweise Verklebung oder ei­ ne Kombination mit Kunststoffwänden, z. B. um Wärmebrücken zu vermeiden, gewählt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Vakuumdämmsystem zube­ reitzustellen, bei denen der Gasdruckanstieg im Inneren des Dämmkerns dauerhaft geringer als 0,1 mbar pro Jahr gehalten wer­ den kann und damit auch grobporige Materialien wie offenporige Kunststoffschäume oder Pulverplatten aus preiswerten Pulvern wie Kieselgur oder Perlit als Füllung verwendet werden können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mit Hochbarrierefolie um­ hüllte Dämmkerne in den Hohlraum eingelegt werden und dass die Gasdruckdifferenz über die Hochbarrierefolie dauerhaft auf einen Bruchteil des üblicherweise anliegenden äußeren Gasdruckes ver­ ringert wird. Dies wird durch ein Hilfsvakuum zwischen Hochbar­ rierefolie und Hohlraumwandung erreicht. Durch dieses Hilfsvaku­ um wird die Diffusion von Gasen durch die Folie in den Dämmkern um den selben Bruchteil verringert. Damit reduziert sich auch der zeitliche Gasdruckanstieg im Dämmkern um den gleichen Fak­ tor. Auf die Verwendung von Gettermaterialien zum Absorbieren eindringender Luftgase kann damit weitgehend verzichtet werden. Die Reduzierung des Gasdrucks auf der Außenseite der Hochbarrie­ refolie wird durch eine dauerhaft an den Hohlraum angeschlossene Vakuumpumpe erreicht. Eine dauerhafte Verbindung einer Vakuum­ pumpe zu einem dämmenden Hohlraum wurde schon öfter vorgeschla­ gen. Zum Beispiel kann der Unterdruck in einem Vakuumflachkol­ lektor zur Aufrechterhaltung des notwendigen Gasdruckes von un­ ter 100 mbar ebenfalls durch eine permanent angeschlossene Vaku­ umpumpe erreicht werden. Das Grobvakuum dient hier ebenfalls zur Verringerung der Wärmeverluste, allerdings nur durch die Unter­ drückung der Konvektion der Luft im Kollektorvolumen. Die Wärme­ leitfähigkeit der ruhenden Luft im Kollektorvolumen bleibt be­ stehen.

In dem Patent EP 0739 472 B1 wird vorgeschlagen, den Hohlraum des zu isolierenden Gerätes ähnlich wie bei einer konventionel­ len Dämmung mit einem zumindestens teilweise offenporigen Kunst­ stoffschaum zu füllen, den Hohlraum weitgehend vakuumdicht abzu­ schließen und permanent mit einer Vakuumpumpe zu verbinden. Um eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,010 und 0,015 W/mK zu errei­ chen, muss der Gasdruck nach der Ausführung der Patentschrift auf 0,5 mbar abgesenkt werden. Dies ist jedoch nur durch eine recht leistungsfähige Pumpe zur erreichen. Auch ist es fraglich, ob insbesondere bei einem nur teilweise offenporigen Schaummate­ rial, eine ausreichende Evakuierung auch abgelegener Bereiche des gedämmten Hohlraums erreicht werden kann.

Diese unbefriedigende Situation wird erfindungsgemäß durch fol­ gende Vorgehensweise gelöst: Ein mit Hochbarrierefolie umhüllter Dämmkern aus offenzelligem Kunststoff- oder Pulvermaterial wird auf einen ausreichend Gasdruck von unter einem mbar, vorzugswei­ se 0,1 mbar evakuiert und wie üblich durch Versiegelung einer noch offenen Seite in der Vakuumkammer verschlossen. Um Ausga­ sungen zu vermeiden, sollte das Pulvermaterial vorher auf eine ausreichend hohe Temperatur ausgeheizt und getrocknet worden sein. Da das Ausheizen eines offenporigen Kunststoffschaums nur bedingt möglich ist, sollte diesem vor dem Evakuieren noch ein Trockenmittel z. B. Calciumoxid oder Zeolith zugesetzt werden. Die Vakuumdämmplatten werden nun auf geeignete Weise in den zu dämmenden Hohlraum eingelegt, wobei das Auftreten von Fugen mög­ lichst vermieden werden sollte. Teile des Hohlraums, z. B. vaku­ umdicht ausgeführte Durchbrüche für Rohrleitungen, die nicht oder nur ungünstig mit den plattenförmigen evakuierten Dämmung­ platten ausgelegt werden können, werden mit kleineren Presslin­ gen aus mikroporöser Kieselsäure versehen, die in einer pulver­ dichten, aber gasdurchlässigen Umhüllung z. B. einem Filterpapier untergebracht sind.

Zwischen der Wandung des Hohlraums und den Vakuumdämmplatten sollte erfindungsgemäß eine dünne Lage eines offenporigen, druckfesten Materials vorhanden sein. Dies kann z. B. eine 2 bis 5 mm Lage aus einem offenporigem Schaum oder ein Fasergewebe- oder Faservlies sein. In weiteren Ausführungen können die Innen­ flächen des Hohlraums schon vor dem Einlegen der Vakuumdämmplat­ ten ein- oder zweiseitig mit dem offenporigen und druckfesten Material ausgerüstet sein, es können aber auch die Vakuumdämm­ platten auf einer oder auf beiden Seiten mit der entsprechenden Schicht eines offenporigen Materials schon versehen sein. Diese Einlagen tragen nicht wesentlich zum Wärmewiderstand des Gesamt­ dämmaufbaus bei, da in dem Hilfsvakuum mit Gasdrücken von ty­ pisch über 10 mbar die Gaswärmeleitfähigeit des grobporigen Ma­ terials schon weitgehend zur Geltung kommt. Es sind mit dieser Maßnahme jedoch alle Folienoberflächen dem Hilfsvakuum zugäng­ lich und es wird gleichzeitig ein gewisses Puffervolumen für das Hilfsvakuum geschaffen.

Nachdem das gesamte Dämmvolumen ausgelegt ist, wird der Hohlraum auf geeignete Weise, z. B. durch Verschweißen oder Verkleben von einzelnen Blech - und/oder Kunststoffteilen der Innen- und Au­ ßenwandung weitgehend vakuumdicht verschlossen. Über einen Pum­ panschluss wird nun über eine einfache Vakuumpumpe, z. B. eine ein- oder mehrstufige Membranpumpe ein Grobvakuum von 10 bis 100 mbar Gasdruck dauerhaft angelegt. Die Vakuumpumpe ist permanent an den Hohlraum angeschlossen und wird immer dann in Betrieb ge­ setzt, wenn der Gasdruck einen vorgegebenen maximalen Wert über­ schreitet. Im wesentlichen muss dabei immer nur der offenporige, zugängliche Raum zwischen Vakuumdämmplatten und Außenwand, bzw. das Dämmvolumen der mikroporösen Zusatzdämmteile abgepumpt wer­ den. In den Teibereichen, in denen dem Hilfsvakuum zugängliche mikroporöse Pulverpresslinge untergebracht sind, wird durch das angelegte Grobvakuum ebenfalls eine niedrige Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,005 und 0,008 W/mK erreicht.

Eine Abschätzung der Pumpleistung zeigt, dass eine einfache Pum­ pe mit einem Saugvermögen von fünf Liter pro Minute nur zu etwa 1% der Zeit in Betrieb sein muss, um das grobe Vakuum im Be­ reich 10 bis 100 mbar zu halten. Die Pumpe kann gegebenenfalls ihren Antrieb über eine Welle des Kompressors der Kühleinrich­ tung erhalten. Gegebenenfalls kann ein zusätzliches z. B. zylin­ derförmiges Behältnis, das zwischen dem Dämmhohlkörper und der Pumpe eingebaut ist, ebenfalls ein Puffervolumen schaffen, so dass die Pumpe nur von Zeit zu Zeit zur Erzeugung des Hilfsvaku­ ums eingeschaltet werden muss. Die offenporige Lage zwischen Hohlraumwandung und Vakuumdämmplatten kann in diesem Fall auf ein Minimum beschränkt bleiben oder ganz entfallen.

Vorteil des Abpumpens der Luft aus dem Zwischenraum zwischen Hohlraumwandung und evakuierter Dämmplatte ist neben der Verrin­ gerung der Eindiffusion von Gasen in den Dämmkern und damit die Verlängerung der Nutzungsdauer der Vakuumdämmplatten auch eine feste statische Verbindung der Wandung mit den einliegenden Platten aufgrund des von außen anliegenden Luftdrucks. Es können damit ähnliche Festigkeiten erreicht werden wie bei einer Ver­ klebung der Dämmplatten mit der Wandung.

Gegenüber einem Einlegen von nichtevakuierten Schaum- oder Pul­ verplatten in den Hohlraum und nachträglichem Evakuieren hat das erfindungsgemäße Verfahren auch den Vorteil, dass die evakuier­ ten Dämmplatten schon auf ihre Enddicke komprimiert sind und auf diese Weise genau in den Hohlraum eingepasst werden können. Nichtevakuierte Pulver- oder Schaumplatten schrumpfen nach dem Einlegen in den Hohlraum in ihren Dimensionen um 5 bis 20%, wenn der Hohlraum evakuiert wird und der Atmosphärendruck mit einer Last von entsprechend 10 Tonnen pro Quadratmeter über die gewöhnlich nicht druckstabile Wandung des Hohlraums auf den ein­ gelegten Platten lastet.

Das Puffervolumen und die Vakuumdichtigkeit des Hohlraums müssen so ausgelegt sein, dass auch bei einem Nichtbetrieb der Pumpe, z. B. während der Zeitdauer der Lagerung oder Transports des Ge­ rätes der Gasdruck zwischen Wandung und Vakuumdämmplatte nicht auf mehr als 500 mbar ansteigt, um ein feste statische Verbin­ dung zwischen den Wandflächen des Hohlraums durch das Hilfsvaku­ um zu gewährleisten.

Claims (10)

1. Vakuumdämmsystem, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlform im Inneren mit auf Gasdrücken unter 10 mbar, vorzugsweise un­ ter 1 mbar evakuierten, folienumhüllten Dämmplatten gefüllt wird, die Hohlform ausreichend gegen Eindringen von Luft und Wasserdampf abgedichtet und auf Dauer ein Hilfsvakuum zwischen Hohlraumwandung und Vakuumdämmplatten mit Gasdrücken zwischen 1 und 500 mbar, vorzugsweise 20 mbar gehalten wird.

2. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die evakuierten Dämmplatten mit offenporigen organischen oder anorganischen Schäumen, Glas oder Mineralfasermaterialien oder Pulvern aus Kieselsäuren, Microsilica, Perliten, Kieselguren oder anderen Materialien gefüllt und mit Hochbarrierefolien mit Gasdurchlässigkeiten von unter 1 cm³/m²Tag und Wasser­ dampfdurchlässigkeiten von unter 1 g/m²Tag umhüllt sind.

3. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Hohlraumes mit Presslingen aus mikroporösen Materia­ len wie pyrogenen Kieselsäuren ausgestattet werden, die mit einer luftdurchlässigen aber staubundurchlässigen Hülle aus Faservlies oder Filterpapier umgeben sind.

4. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hohlraumwandung und Umhüllung der Vakuumpaneele ein- oder beidseitig sich ein gasdurchleitendes, offenporiges Mate­ rial z. B. aus organischen oder anorganischen Schäumen, Faserv­ lies oder Filterpapier in Stärken zwischen 0,1 und 10 mm be­ findet.

5. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlform permanent mit einer Vakuumpumpe verbunden ist und das erforderliche Hilfsvakuum durch ständiges oder zeitweises Betreiben der Vakuumpumpe erreicht wird.

6. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hohlformen über einen eventuell flexiblen Schlauch miteinander verbunden sind oder mehrere Schläuche ein Pumpe mit mehreren Hohlkörpern verbinden.

7. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe eine ein- oder mehrstufige Membranpumpe mit niedrigem Saugvermögen ist.

8. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vakuumpumpe und Hohlform ein passiv schließendes Ven­ til sitzt.

9. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe nur dann in Betrieb genommen wird, wenn der Gasdruck im Inneren über einen definierten Gasdruck angestie­ gen ist.

10. Vakuumdämmsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hohlform und der Vakuumpumpe ein weiteres leeres Volumen (Puffergefäß) eingefügt ist.