DE102007013054A1

DE102007013054A1 - Wärmedämmstoff sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102007013054A1
Application number: DE200710013054
Authority: DE
Inventors: Paul Kramer
Original assignee: Kramer Paul Dipl-Ing
Current assignee: Kramer Paul Dipl-Ing
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Wärmedämmstoff mit geschlossenen Zellen sowie Verfahren zu seiner Herstellung
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die quaderförmigen oder annähernd quaderförmigen Zellen (1) mit 4 rechtwinkelig zueinander stehenden Wänden (2 und 3) sowie ebenen oder leicht gewölbten Rücken- (4) und Vorderflächen (5) ausgebildet sind, wobei diese etwa senkrecht zur Richtung des Wärmestroms (6) orientiert sind,
b) die die Zellen begrenzenden Wandungen in Glas, Keramik, Metall oder Kunststoff hergestellt sind,
c) die Quaderzellen (1) matrizenartig 2-dimensional in Längs- (7) u. Querrichtung (8) direkt aneinanderliegend angeordnet sind und
d) die übereinander in Richtung des Wärmestroms angeordneten 2-dimensionalen Quaderzellenmatrizen (9) gegenüber ihren benachbarten Matrizen (10)
sowohl in Längs- oder auch in Querrichtung oder auch in beiden Richtungen versetzt angeordnet sind.
e) die Vorderkanten der waagerechten und senkrechten Zellwände im Inneren des Wärmedämmstoffs luftdicht an die jeweiligen Rückenflächen (4) anschliessen und so ein luftdicht abgeschlossenes Volumen (15) darstellen.

Description

Es gibt zahlreiche Wärmedämmstoffe, die isotrop sind oder deren Geometrie ihres inneren Aufbaus durch Herstellvorgänge zwangsläufig bestimmt ist. Hierbei ergeben sich λ-Werte von etwa 0,02 W/m²K oder höher.
Ziel dieser Erfindung ist es, einen extrem leistungsfähigen Wärmedämmstoff herzustellen, dessen λ-Wert unter 0,015 W/m²K liegt.
Der Wärmedämmstoff dieser Erfindung ist nicht isotrop, sondern zur Richtung des Wärmestroms (6) optimiert sowie unter den Bedingungen des Anspruchs 5 als tragfähige röhrenähnliche Struktur zur Aufnahme höherer senkrechter Belastungen geeignet, z. B. als Mauerstein geeignet.
Der erfindungsgegenständliche Wärmedämmstoff besteht aus einer Vielzahl quaderähnlicher Zellen (1) deren Hauptdimensionen jeweils in gleicher Richtung (6,7 und 8) orientiert sind. Die Richtung des Wärmestroms (6), der etwa senkrecht zu den Vorder- und Rückenflächen (4, 5) verläuft, ist hinsichtlich der Eigenschaft Wärmedämmung optimiert als kürzeste räumliche Ausdehnung des Quaders mit seiner Dicke (d).
Ist die Höhenrichtung (7) die grösste Ausdehnung des Quaders, so sind die Proportionen hinsichtlich Tragverhalten z. B. als Mauerstein ideal.
Die Wandungen der Zellen des Wärmedämmstoffs sind bevorzugt aus einem gering leitenden und diffusionssperrenden Material, wie z. B. Glas können jedoch auch aus anderen Materialien wie z. B. glasierte Keramik oder u. U. Metall bestehen.
Die Dimension einer Quaderzelle kann sich etwa von
2 bis 30 mm in der Quaderhöhe, (2 × h)
1 bis 20 mm in der Quadertiefe
und 1 bis 30 mm in der Quaderbreite (2 × b) bewegen.
Die Wandungen können zum Erreichen einer höheren Tragfähigkeit zur rückwärtigen oder vorderseitigen Oberfläche des Wärmedämmstoffs oder – steins dicker ausgeführt werden.
1 zeigt eine Isometrie der Aufbaustruktur des Wärmedämmstoffs mit gegenseitig versetzten Quaderzellenmatrizen.
Die in Richtung des Wärmestroms hintereinander angeordneten Matrizen bestehen aus mit Seite an Seite zu Zeilen angeordneten Quaderzellen, die in Längsrichtung der Zellen und Richtung Höhe (7) sich mit den direkt angrenzenden waagerechten Zellwänden (3) übereinander zu einer ebenen Matrixfläche (9) stapeln.
Die unmittelbar dahinter liegende Quaderzellenmatrix (10) ist um die Hälfte der Zellenbreite (b) und die Hälfte der Zellenhöhe (h) versetzt. Die hinter dieser Matrix befindliche Quaderzellenmatrix (9) ist wiederum um die gleichen Maße zurückversetzt.
Mit diesem Versatz ist der Wärmeübergang von den waagerechten und seitlichen Zellwänden jeder Quaderzellenmatrixfläche auf die jeweils benachbarte Quaderzellenmatrix theoretisch auf einen Punkt, den Wärmeübergangspunkt (13) reduziert, in Wirklichkeit eine kleine Querschnittsfläche, auf die die Wärme in den seitlichen und waagerechten Zellwänden einerseits zuströmt und in die rückwärtige Zellwand andererseits radial abströmt.
Nach diesem Muster sind alle Quaderzellen, die direkt an die Randflächen eines konfektionierten Stückes Wärmedämmung angrenzen

– nach der Seite hin in Richtung der Breite (8) und entgegengesetzt sowie
– in Richtung „oben" (7) und nach unten sowie
– nach vorne in Gegenrichtung des Wärmestroms

Alle übrigen Zellen (15) sind auf Grund der unmittelbar angrenzenden Nachbarzellen geschlossenzellig und als Vakuumvolumen besonders wärmedämmend wirksam.
Als Ausführungsbeispiel wäre eine Zellengröße geeignet, mit einer

– Quadertiefe (= dicke) von 4 mm, einer
– Quaderbreite (= 2 × b) von 10 mm und einer
– Höhe (= 2 × h) von 12 mm.

– Dicke (= d) von 6 cm (= 15 Quadertiefen)
– Plattenbreite von 60 cm (= 60 Quaderbreiten)
– Länge von 1,2 m (= 100 Quaderhöhen)

Die Gesamtzahl der Zellen errechnet sich dabei zu: 100 × 60 × 8 + 99 × 59 × 7 = 88887 Einheiten
Die Zahl der Randzellen, in denen kein Vakuum möglich ist, errechnet sich zu: (2 × 100 + 2 × (60 – 2)) × (15/2 – ½) + 100 × 60 = 8212 Einheiten
Dies ergibt einen Anteil der Nichtvakuumzellen von 9,3% und einen Anteil der Vakuumzellen von 90,7%.
Die Randbereiche mit einer geringeren Wärmedämmung einer solchen Platte stellen in ihrer Fläche mit 316 Zellen von 6000 einen Flächenanteil von ca. 5% dar, was die Dämmwirkung kaum beeinträchtigt.
2 zeigt eine quaderförmige Zelle mit leicht gewölbter Rückenfläche von schräg vorne gesehen.
3 zeigt eine quaderförmige Zelle mit leicht gewölbter Rückenfläche von oben und schräg hinten gesehen mit der aus 2 herübergeklappten Vorderkantenkontur der noch offenen Quaderzelle.
Das direkte Anschließen der Vorderkantenkontur (12) der waagerechten und senkrechten seitlichen Zellwände an die Rückenflächen (4/5) bedeutet bei den gegenseitig versetzten Quaderzellenmatrizen (9 und 10) einen auf eine kleine (quasi punktförmige) Übergangsfläche konzentrierten Wärmefluss (12) von einer Quaderzellenmatrix (9) zu ihrer benachbarten Quaderzellenmatrix (10).
4 zeigt quaderförmige Zellen mit ebener Rückenfläche von schräg vorne gesehen, wobei deren seitliche und waagerechte Zellwände in 2 getrennte Wände aufgelöst sind und in der Vorderfläche als Konturkante verbunden sind.
5 zeigt eine quaderförmige Zelle mit ebener Rückenfläche von oben und schräg hinten gesehen, wobei deren seitliche und waagerechte Zellwände in 2 getrennte Wände aufgelöst sind, mit der aus 4 herübergeklappten Vorderkantenkontur der noch offenen Quaderzelle.
Innerhalb der geschlossenen Vorderkantenkontur (12) der senkrechten und waagerechten Wände einer Zelle liegen 4 Wärmeübergangspunkte (13).
Jeweils in der Mitte einer Seitenkante und einer waagerechten Kante ist ein Dichtsteg angeordnet (19 siehe auch 20 und 21), der die beiden geteilten Zellwände an den Wärmeübergangspunkten verbindet und quer zu den Zellwänden in Richtung der jeweils örtlichen Vorderkantenkontur der rückwärtigen Matrix orientiert ist.
6 zeigt ein Herstellungsverfahren des Wärmedämmstoffs durch Ausformen der Matrizen und kontrolliertes Zusammenpressen im Vakuum.
Die Glasmatrizen werden durch 2 gegenüberliegend gegenläufig sich drehende Prägewalzen durch einen von oben in den Spalt zwischen den Walzen einlaufenden Glasschmelzfluss hergestellt und geformt.
Die noch weichen, in teigigen Zustand befindlichen Glasmatrizen werden aus mehreren nebeneinanderliegenden Matrizen zu einer Platte zusammengepresst, z. B. durch Pressrollen.
Dieser Vorgang geschieht im Vakuum. Für die Nacherwärmung mittels Verbrennung muss auch der Sauerstoff mit eingeleitet werden. Anstelle der offenen Verbrennung können auch elektrische Heizmethoden eingesetzt werden.
Das Vakuum wird räumlich begrenzt durch die Einlaufdüsen des Glasteigs sowie durch eine Ausgangsschleuse.

1: Quaderförmige Zelle
2: senkrechte, seitliche Zellwände
3: waagerechte Zellwände
4: ebene oder leicht gewölbte Rückenflächen
5: ebene oder leicht gewölbte Vorderflächen
6: Richtung des Wärmestroms
7: Längs- oder Hochrichtung
8: Quer- oder Breitrichtung
9: Quaderzellenmatrix (flächig)
10: dazugehörige in Richtung des Wärmestroms benachbarte Quaderzellenmatrix
11: Vorderkanten der Waagerechten und senkrechten seitlichen Zellwände
12: geschlossene Vorderkantenkontur
13: Wärmeübergangspunkt
14: geschlossene Vorderkantenkontur mit Wärmeübergangspunkten
15: Zellvolumen
16: waagerechte Schnittfläche durch die quaderförmige Zelle
17: senkrechte Schnittfläche durch die quaderförmige Zelle
18: waagerechte Schnittfläche durch die Zelle mit geteilten, waagerechten und senkrechten Zellwänden
19: Dichtstege zwischen den beiden geteilten Zellwänden sowie der Rückenflächenebene und der Vorderkantenebene
20: waagerechte Schnittfläche durch den Dichtsteg jeweils in der Mitte der Breite der quaderförmigen Zelle
21: senkrechte Schnittfläche durch den Dichtsteg jeweils in der Mitte der Höhe der quaderförmigen Zelle
22: Schmelzbehälter
23: Glasschmelze
24: Befeuerung
25: Befüllöffnung
26: Verschluss
27: Druckausgleichsventil
28: Mundstück mit Spalteinlaufdüsen
29: ebenflächiger Schmelzfluss
30: rückseitige Prägewalze
31: vorderseitige Prägewalze
32: Vakuumkammer
33: Kontaktbefeuerung
34: Presswalzen
35: Abschneidevorrichtung
36: zusammengepresster Strang
37: konfektionierte Wärmedämmplatten bzw. -steine
38: Vakuumpumpe
39: Ausgangsschleuse
40: Vakuumkammerdeckel mit Entspannungsventil
41: Schleusenausgangsdeckel mit Entspannungsventil
42: Ausgangsöffnung
43: Rundkante der zweigeteilten Zellenwand am Übergang zwischen der senkrechten und waagerechten Position
h: halbe Quaderhöhe
b: halbe Quaderbreite
d: Quaderzellendicke in Richtung des Wärmestroms

Claims

Wärmedämmstoff mit geschlossenen Zellen sowie Verfahren zu seiner Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass a) die quaderförmigen oder annähernd quaderförmigen Zellen (1) mit 4 rechtwinkelig zueinander stehenden Wänden (2 und 3) sowie ebenen oder leicht gewölbten Rücken- (4) und Vorderflächen (5) ausgebildet sind, wobei diese etwa senkrecht zur Richtung des Wärmestroms (6) orientiert sind, b) die die Zellen begrenzenden Wandungen in Glas, Keramik, Metall oder Kunststoff hergestellt sind, c) die Quaderzellen (1) matrizenartig 2-dimensional in Längs- (7) u. Querrichtung (8) direkt aneinanderliegend angeordnet sind und d) die übereinander in Richtung des Wärmestroms angeordneten 2-dimensionalen Quaderzellenmatrizen (9) gegenüber ihren benachbarten Matrizen (10) sowohl in Längs- oder auch in Querrichtung oder auch in beiden Richtungen versetzt angeordnet sind. e) die Vorderkanten der waagerechten und senkrechten Zellwände im Inneren des Wärmedämmstoffs luftdicht an die jeweiligen Rückenflächen (4) anschliessen und so ein luftdicht abgeschlossenes Volumen (15) darstellen.
Wärmedämmstoff nach Anspruch 1 d. g., d. die seitlich stehenden (2) und waagerechten (3) Zellwände a) in jeweils 2 Wände aufgeteilt sind, die b) konisch zueinander angeordnet sind und c) gerundet in die ebenen Rückenflächen (4) übergehen sowie d) deren Vorderkanten an den Rückenflächen der Zellen der jeweils benachbarten Matrix als durchlaufende Kante luftdicht angeschlossen ist und e) zum Überbrücken des Abstands zwischen den geteilten Zellwänden im Zuge der geschlossenen Vorderkantenkontur (12) Dichtstege (19) zwischen der Rückenflächenebene und Vorderkantenebene angeordnet sind.
Wärmedämmstoff nach Anspruch 1 und 2 d. g., d. der Rauminhalt der Zellen (15) im Inneren des Wärmedämmstoffseinen gegenüber dem atmosspärischen Luftdruck erheblichen Unterdruck oder ein Vakuum aufweist.
Wärmedämmstoff nach den Ansprüchen 1–3 d. g., d. der Versatz der in Richtung des Wärmestroms (6) direkt übereinanderliegenden zweidimensionalen Quaderzellenmatrizen (9) gegenüber ihren direkt benachbarten Matrizen (10) sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung jeweils die halbe Quaderlänge (a) als auch die halbe Quaderbreite (b) beträgt.
Wärmedämmstoff nach den Ansprüchen 1–4 d. g., d. die Quaderzellenhöhe (2h) größer als die Quaderzellenbreite (2b) und diese größer als die Quaderzellendicke (d) ist.
Wärmedämmstoff nach den Ansprüchen 1 bis 5 d. g., d. die waagerechten (3) und senkrechten (2) Wände sowie die Vorder- und Rückenflächen (4 und 5) der Quaderzellen, sofern sie aus einem durchsichtigen Material ausgeführt sind, opak eingefärbt sind.
Wärmedämmstoff nach den Ansprüchen 1 bis 6 d. g., d. die Wandstärken der Quaderzellenmatrizen zum Erreichen einer höheren Tragfähigkeit zur rückwärtigen oder vorderseitigen Oberfläche des Wärmedämmstoffs oder -steins hin dort dicker ausgeführt werden.
Verfahren zur Herstellung des Wärmedämmstoffs nach den Ansprüchen 1–7 d. g., d. das Zusammenpressen der Quaderzellenmatrizen im Vakuum stattfindet und dabei eine luftdichte Verschmelzung der Matrizen entlang aller Vorderkanten der waagerechten und senkrechten Zellwände mit den entsprechenden Rückenflächen der entsprechend benachbarten Quaderzellenmatrize durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung des Wärmedämmstoffs nach den Ansprüchen 1–8 d. g., d. zum luftdichten Verschmelzen der Quaderzellenmatrizen im Vakuum eine zusätzliche Befeuerung oder eine elektrisch wirkende Beheizung angeordnet ist.