DE102013104712A1

DE102013104712A1 - Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Isolations-Paneelen

Info

Publication number: DE102013104712A1
Application number: DE102013104712.2A
Authority: DE
Inventors: Julien Thiery; Ulrich Passon; Wolf Gerhards
Original assignee: Saint Gobain Isover SA France
Current assignee: Saint Gobain Isover SA France
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-13
Also published as: SI2994311T1; EP2994311B1; WO2014180918A1; JP6150191B2; JP2016517944A; CN105209258A; CN105209258B; MY169917A; US20160116100A1; EP2994311A1; KR20160007552A; US9644781B2; KR101821473B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Isolations-Paneelen mit einem Faserkern, mit den Schritten: Bereitstellen eines Kernrohlings aus Fasern, Komprimieren des Kernrohlings auf eine vorbestimmte Enddicke zur Ausbildung des Kerns, Evakuierung einer den Kern umhüllenden Folienhülle bis zu einem Druck ≤ 1 mbar, und Verschließen der Folienhülle. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der Kernrohling beim Kompressionsschritt zwischen zwei Abdeckelementen angeordnet ist und zwischen diesen mechanisch komprimiert wird, dass der Kern bis zum Verschließen der Folienhülle unter Kompressionsdruck gehalten wird, und dass der Kompressionsschritt ohne thermische Beaufschlagung bei Raumtemperatur am Herstellungsort durchgeführt wird. Damit lässt sich ein Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Isolations-Paneelen mit einem Faserkern derart verbessern, dass dieses mit einem reduzierten Energiebedarf durchführbar ist und die Dämmwirkung der Vakuum-Isolations-Paneele dennoch nicht darunter leidet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Isolations-Paneelen mit einem Faserkern, mit den Schritten: Bereitstellen eines Kernrohlings aus Fasern, Komprimieren des Kernrohlings auf eine vorbestimmte Dicke zur Ausbildung des Kerns, Evakuierung einer den Kern umhüllenden Folienhülle bis zu einem Druck ≤ 1 mbar, und Verschließen der Folienhülle.
Derartige Vakuum-Isolations-Paneele zeichnen sich durch gute Wärmedämmeigenschaften bei vergleichsweise geringer Dämmdicke aus. Sie werden daher vor allem in Bereichen eingesetzt, in denen der verfügbare Raum begrenzt ist. Als Beispiele sind hier Kühlschränke, Gefrierschränke oder dergleichen zu nennen. Daneben werden derartige Vakuum-Isolations-Paneele jedoch auch zur Dämmung von Gebäuden im Baubereich verwendet.
Gemeinsam ist den bekannten Vakuum-Isolations-Paneelen, dass sie einen Kern aus einem offenporigen Körper aufweisen, welcher evakuierbar ist. Dieser Kern ist in einer Folienhülle aufgenommen und liegt darin unter Vakuum vor. Dadurch ist die Gaswärmeleitung wie auch die Konvektion innerhalb eines solchen Vakuum-Isolations-Paneels weitestgehend unterbunden, weshalb Wärmeverluste überwiegend durch Festkörperleitung und Wärmestrahlung auftreten.
Als Kernmaterial kommen verschiedene offenporige Werkstoffe zum Einsatz, wie zum Beispiel geschäumtes Polyurethan oder Polystyrol, Fällungskieselsäure, pyrogene Kieselsäure oder dergleichen. Aufgrund der sehr geringen Festkörperwärmeleitung sind auch Fasern als Kernmaterial üblich.
Auch bei den eingesetzten Folienhüllen sind verschiedene Ausgestaltungsweisen verbreitet. So werden häufig Kunststoffverbundfolien z. B. in Form einer Zweischichtfolie mit einer Schicht aus HDPE von 150–200 μm und einer Aluminiumschicht von 6 bis 20 μm eingesetzt. Weiterhin sind auch Mehrschichtfolien auf Kunststoffbasis bekannt, bei denen beispielsweise mehrere Kunststofffolien von je 20 bis 50 μm mit Aluminiumbedampfung miteinander verbunden sind, deren Schichtdicke typischerweise unter jeweils 3 bis 5 μm beträgt. Derartige Kunststoffverbundfolien haben den Vorteil, dass sie preisgünstig bereitstellbar und mit geringem Aufwand verarbeitbar sind. Insbesondere das gasdichte Verschließen der Folienhülle bereitet bei Kunststoffen in der Regel keine Probleme, da entsprechende Schweißnähte bzw. Versiegelungsnähte problemlos herstellbar sind. Darüber hinaus bilden derartige Kunstoffverbundfolien im randseitigen Verbindungsbereich auch nur relativ unerhebliche Wärmebrücken. Reine Kunststofffolien spielen aufgrund des unzureichenden Diffusionswiderstands nur eine Rolle bei Nischenanwendungen. Sie sind prinzipiell ungeeignet für Anwendungen, bei denen eine Nutzungsdauer der Vakuum-Isolations-Paneele von Jahren oder sogar Jahrzehnte gefordert ist, wie etwa im Baubereich.
Ein Nachteil derartiger Kunststoffverbund-Folienhüllen liegt jedoch darin, dass diese nicht völlig gasdicht sind. Die im Laufe der Zeit eindringenden Gasmoleküle zerstören das Vakuum. Ebenfalls eindringende Feuchtigkeit führt zu Wärmeleitung im Inneren derartiger Vakuum-Isolations-Paneele. Hierdurch kann sich die Dämmwirkung auf lange Zeit gesehen erheblich reduzieren. Ein weiterer Nachteil derartiger Kunststoff-Folienhüllen liegt darin, dass sie relativ empfindlich für eine mechanische Beschädigung sind. Tritt eine solche bereits während des Transports und im Zuge der Verarbeitung auf, geht das Vakuum unmittelbar verloren und die Dämmwirkung ist weitestgehend aufgehoben.
Eine Alternative hierzu stellen Folienhüllen auf Basis von Metallfolien wie zum Beispiel Edelstahlfolien dar. Derartige Metallfolien sind weitestgehend gasdicht, wodurch eine fast unbegrenzte Lebensdauer erzielt werden kann. Zudem bieten sie einen hohen Widerstand gegen mechanische Beschädigungen.
Nachteilig an solchen Metallfolienhüllen ist jedoch, dass es aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Metalls im Randbereich zu durchaus erheblichen Wärmebrücken kommt. Diese verursachen eine deutliche Reduzierung der Dämmwirkung. Darüber hinaus sind derartige Metallfolien kostenträchtig in der Bereitstellung und aufwändiger in der Verarbeitung. Insbesondere bereitet das Verschweißen derartiger Metallfolienhüllen wesentlich mehr Aufwand, als dies bei Kunststofffolien der Fall ist.
Im Gesamtaufbau derartiger Vakuum-Isolation-Paneele dient der Kern als Stützkörper, weshalb er herkömmlich als relativ formstabiler Formkörper bereitgestellt wird. Sofern ein Fasermaterial für den Kern verwendet wird, kommt hierbei in der Regel ein Fasermaterial zum Einsatz, welches kein Bindemittel enthält, das sich unter Vakuum zersetzt. Erfahrungen aus der Praxis haben gezeigt, dass mit der Verwendung von Bindemitteln negative Effekte verbunden sind. Werden organische Bindemittel eingesetzt, so können sich diese im Vakuum zersetzen, wodurch die Dämmwirkung aufgrund dann zunehmender Gaswärmeleitung abnimmt. Anorganische Bindemittel weisen zwar in der Regel diesen Effekt nicht auf, sind jedoch dagegen schwer zu handhaben und teuer.
Aus diesem Grunde ist man dazu übergegangen, bindemittelfreie Mineralwolle einzusetzen und diese unter thermischer Einwirkung zu verpressen, um so den Kern auszubilden. Diese Verarbeitung erfolgt abhängig von der jeweiligen Zusammensetzung des Mineralwerkstoffs in der Regel in einem Temperaturbereich zwischen 400°C und 600°C und findet somit im Bereich von dessen Erweichungspunkt statt. Damit verbunden ist eine plastische Verformung der Mineralfasern, was zum einen zu einer Verfilzung des Rohmaterials und zum anderen zu einer Art Versinterung führt. Damit lässt sich ein relativ formstabiler, jedoch weiterhin offenporiger Kern erzielen. Beispiele für derartige Verfahrensweisen finden sich in den Dokumenten US 2,745,173 , EP 1 892 452 B1 , DE 601 24 242 T2 und EP 1 653 146 A1 .
Die hieraus bekannten Verfahrensweisen haben sich durchaus bewährt, um Vakuum-Isolations-Paneele mit guten Dämmwirkungen zu erzielen. Diese zeichnen sich auch durch eine relativ gute Handhabbarkeit aus. Allerdings sind diese Verfahrensweisen mit einem sehr hohen Energieverbrauch verbunden, was insbesondere an den hohen anzuwendenden Temperaturen liegt. Aus diesem Grunde ist die Herstellung derartiger Formkerne aus Mineralwolle vergleichsweise teuer. Darüber hinaus sind diese Verfahrensschritte auch zeitaufwändig, zumal die hergestellten Formkörper für die weitere Verwendung auch noch abzukühlen sind. Die vorliegende Erfindung geht von der Lehre der EP 1 653 146 A1 aus.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Isolations-Paneelen mit einem Faserkern bereitzustellen, welches mit einem reduzierten Energiebedarf durchführbar ist, ohne dass die Dämmwirkung der Vakuum-Isolations-Paneele darunter leidet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Dieses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Kernrohling aus Fasern beim Kompressionsschritt zwischen zwei Abdeckelementen angeordnet ist und zwischen diesen mechanisch komprimiert wird, dass die mechanische Kompression des Kerns bis zum Verschließen der Folienhülle gehalten wird, und dass der Kompressionsschritt ohne thermische Beaufschlagung bei Raumtemperatur am Herstellungsort durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung nimmt somit völlige Abkehr von der bisherigen Herstellungsweise des Kerns für Vakuum-Isolations-Paneele. Anstelle der energetisch aufwändigen Verpressung unter hohen Temperaturen wird der Kernrohling erfindungsgemäß nun kalt verpresst, was zu einer erheblichen Reduzierung des Energiebedarfs führt.
Da der Kompressionsdruck erfindungsgemäß zugleich bis zur Herstellung des Vakuums und dem Verschließen der Folienhülle aufrechterhalten wird, ist die damit verbundene, zunächst geringere Formstabilität des Kerns unproblematisch. Hierbei wurde im Rahmen der Erfindung ferner erkannt, dass auch der nur kalt verpresste Kernrohling nach Herstellung des Vakuums aufgrund des Umgebungsdrucks einen stabilen Formkörper bildet, der als Stützstruktur für das so hergestellte Vakuum-Isolations-Paneel dient. Die Handhabbarkeit eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vakuum-Isolations-Paneels ist daher mit jener eines nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Paneels vergleichbar.
Mit anderen Worten wird das Fasermaterial im Rahmen der Erfindung quasi lose in die Folienumhüllung gegeben und dort erst unter Einfluss des Vakuums zum Formkörper gestaltet. Dessen Gestalt ist dabei durch die vorbestimmte Dicke vorgegeben, welche die beiden Abdeckelemente bestimmen, zwischen denen der Kern bis zum Verschließen der Folienhülle unter Kompressionsdruck gehalten wird. Dies ist eine völlige Abkehr von den bisherigen Verfahrensweisen.
Nach dem Wegfall der mechanischen Kompressionskraft kann die Enddicke, d. h. die Dicke des evakuierten fertigen VIP-Elements (der Einfluß der Folien, nicht jedoch der von eventuellen Abdeckplatten auf die Enddicke kann vernachlässigt werden) aufgrund der anliegenden Druckdifferenz zur Atmosphäre von der vorbestimmten Dicke abweichen, was maßgeblich durch die eingestellte Rohdichte beeinflusst wird. In der Praxis kann die Enddicke durchaus im Bereich von 50% bis 200% der vorbestimmten Dicke betragen. Zur Vermeidung von produktionstechnischen Problemen ist es bevorzugt, die Differenz zwischen vorbestimmter Dicke und Enddicke möglichst gering zu halten.
Da erfindungsgemäß somit nun weder zum Erwärmen des Kernrohlings noch zum Abkühlen Prozesszeit einzukalkulieren ist, lässt sich das Verfahren ferner wesentlich schneller als im Stand der Technik durchführen. Darüber hinaus verringert sich auch der apparative Aufwand in der Fertigungslinie ganz erheblich. Durch beide Effekte reduzieren sich die Kosten für die Herstellung derartiger Vakuum-Isolations-Paneele.
Gleichzeitig lassen sich mit den durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Vakuum-Isolations-Paneelen die bekannten hervorragenden Dämmeigenschaften erzielen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
So kann die Folienhülle aus einer Metallfolie ausgebildet sein und der Kernrohling vor dem Kompressionsschritt mit der Folienhülle umhüllt werden, wobei Folienabschnitte hiervon als die beiden Abdeckelemente dienen. Dann lassen sich die Vorteile einer Metallfolie als Folienhülle im Hinblick auf die Gasdichtheit und die mechanische Belastbarkeit auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft nutzen und zugleich ist es möglich, Abschnitte dieser Metallfolien als die beiden Abdeckelemente zu nutzen, zwischen denen der Kernrohling komprimiert wird. Die vorteilhafte Eigenstabilität einer derartigen Metallfolie wird somit erfindungsgemäß nicht nur als mechanische Beschädigungsschutz sondern auch funktional für den Herstellungsprozess genutzt. Das Herstellungsverfahren lässt sich hierdurch besonders einfach gestalten. Auch vorrichtungstechnisch ist diese Maßnahme mit einem sehr geringen Aufwand verbunden. Besonders vorteilhafte Eigenschaften lassen sich erzielen, wenn als Metallfolie eine Edelstahlfolie eingesetzt wird.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Folienhülle aus einer Kunststoffverbundfolie ausgebildet ist, wobei vor dem Kompressionsschritt zusätzlich zwei als Abdeckelemente dienende Stützplatten an den Großflächen des Kernrohlings angeordnet werden, und wobei die Stützplatten aus einem druckfesten, nicht unter Vakuum ausgasenden Material, insbesondere aus Metall, ausgebildet sind. Dann lassen sich nicht nur die herkömmlichen Vorteile von Kunststoffhüllen im Hinblick auf die geringen Bereitstellungskosten und die Vermeidung von Wärmebrücken nutzen, sondern gleichzeitig durch die separat bereitgestellten Abdeckelemente eine zuverlässige Komprimierung des Kernrohlings erreichen. Da diese Abdeckelemente aus einem druckfesten, nicht unter Vakuum ausgasenden Material ausgebildet sind, lassen sich hierdurch im Vergleich zu Vakuum-Isolations-Paneelen, die nur über eine Kunststoff-Folienhülle verfügen, verbesserte Oberflächen ohne Faltenwurf etc. erzielen. Von weiteren Vorteil ist es hierbei, dass durch diese Abdeckelemente an den Großflächen des Kernrohlings bzw. des Kerns die Beschädigungsanfälligkeit von derart hergestellten Vakuum-Isolations-Paneelen deutlich reduziert wird. Dabei ist hiermit jedoch andererseits auch keine Verschlechterung der Dämmeigenschaften verbunden, da die beiden Abdeckelemente im Seitenkantenbereich des Kerns nicht miteinander verbunden sind, so dass Wärmebrücken an dieser Stelle vermieden werden, vor allem dann, wenn die Stützplatten aus Metall bestehen.
Hierbei ist zwar aus dem Dokument DE 20 2006 002 959 U1 ein Vakuum-Isolations-Paneel bekannt geworden, bei dem ein als Stützkörper dienender Kern mit einer Kunststoff-Folienhülle umhüllt ist, wobei der Stützkörper unterhalb der Kunststoff-Folienhülle von einer zweiteiligen Metall-Folienumhüllung umgeben ist, deren Teile nicht in direkten, wärmeleitenden Kontakt miteinander stehen; eine Anregung zur erfindungsgemäßen Verfahrensweise geht aus diesem Stand der Technik jedoch nicht hervor. Nach der Lehre dieser Schrift geht es hier darum, die Vorteile der gebräuchlichen Kunststoff-Folienhüllen und Metall-Folienumhüllung zu verbinden. So wird hier durch die zweiteilige Metall-Folienumhüllung eine weitestgehende gasdichte Ausgestaltung erzielt, da lediglich noch an den Seitenrändern kleine streifenförmige Flächenbereiche offen vorliegen, welche einen Gasdurchtritt erlauben. Andererseits wird durch diesen Spalt zwischen den zwei Metall-Folienumhüllungen eine Wärmebrücke vermieden. Da die beiden Metall-Folienumhüllungen in einer bevorzugten Ausführungsform dieses Standes der Technik vollflächig mit der Kunststoff-Folienhülle verklebt sind, wird ein verbesserter Schutz gegen eine mechanische Beschädigung und eine Faltenfreiheit der Außenflächen erreicht. Als Kernmaterial sind nach diesem Stand der Technik Kieselsäure, Aerogele oder offenzellige Schäume auf PU- oder XPS-Basis vorgesehen, die allesamt praktisch formstabil während des Evakuierens sind. Der Einsatz von Faserkernen ist nicht angesprochen. Ebenso wenig geht aus diesem Stand der Technik ein Hinweis auf die Verfahrensschritte zur Bereitstellung des Kerns hervor. Die DE 20 2006 002 959 U1 konnte daher keine Anregung zur Auffindung des erfindungsgemäßen Verfahrens liefern.
Es ist erfindungsgemäß zudem bevorzugt, dass die Fasern kein sich im Vakuum zersetzendes Bindemittel, insbesondere kein organisches Bindemittel, aufweisen.
Die Fasern können aus einem thermoplastischen Material gebildet sein, welches unter Vakuumbedingungen keine oder nur eine sehr geringe Zersetzung aufweist. Geeignete Fasern dieser Art bestehen insbesondere aus Polyethylen, Polyamid oder Polypropylen.
Ebenfalls können anorganische Fasern, bevorzugt Textilglasfasern oder Mineralwolle wie Glaswolle oder Steinwolle oder deren Mischungen eingesetzt werden. Textilglasfasern werden üblicherweise mittels Düsenziehverfahren hergestellt, Mineralwolle kann mittels eines Trockenlege-(„dry laid”) oder eines Naßlegeverfahrens („wet laid”) produziert werden. Auch können Mischungen aus organischen Fasern, anorganischen Fasern oder organisch-anorganischen Fasern eingesetzt werden, was allerdings aus verfahrenstechnischen Gründen weniger bevorzugt ist.
Vom weiteren Vorteil ist es, wenn das Bereitstellen des Kernrohlings das Trocknen des Kernrohlings bis zu einer Restfeuchte kleiner 0,1% enthält. Dann lässt sich die in der Folienhülle gefangene Feuchtigkeitsmenge besonders gering halten, wodurch die Wärmeleitung weiter reduziert wird und somit eine verbesserte Dämmwirkung erzielbar ist. Dies spielt insbesondere bei anorganischen Fasern eine Rolle, bei deren Herstellung üblicherweise wässrige Dispersionen, beispielsweise Schmälzmittel, zum Einsatz kommen. Thermoplastische Fasern werden üblicherweise direkt aus der Schmelze ohne Gegenwart von Wasser hergestellt, so dass eine Trocknung üblicherweise nicht erforderlich ist.
Ferner kann der Trocknungsschritt bei einer Temperatur erfolgen, die mindestens 200 K unter der Erweichungstemperatur der Fasern liegt. Abhängig vom Feuchtegehalt haben sich in praktischen Versuchen Trocknungstemperaturen von 120°C bis 200°C, im Mittel von etwa 150°C unter Berücksichtigung von Trocknungszeit und Energieaufwand als besonders wirksam herausgestellt.
Ferner ist es auch möglich, dass das Bereitstellen des Kernrohlings das Bereitstellen einer Filzbahn aus Fasermaterial und das Zuschneiden der Filzbahn auf ein vorbestimmtes Endmaß enthalten kann. Dann lässt sich die Bereitstellung des Kernrohlings sehr gut in herkömmliche Prozesslinien integrieren und effizient ausführen. Je nach Bedarf kann dabei auch ein Stapeln von mehreren zugeschnittenen Filzbahnabschnitten durchgeführt werden, um eine gewünschte Auflage des Kerns, und somit die Dämmdicke für die Vakuum-Isolations-Paneele zu erzielen.
Alternativ können auch mehrere Filzbahnen aufeinander angeordnet werden, und dann der Zuschnitt des Filzbahnstapels auf das vorbestimmte Endmaß erfolgen.
Vom weiteren Vorteil ist es, wenn der Schritt des Evakuierens des mit der Folienhülle umhüllten Kerns bis zu einem Druck ≤ 0,05 mbar ausgeführt wird. Mit einem derart verbesserten Vakuum lässt sich eine nochmals bessere Wärmedämmwirkung erreichen. Dies ist noch dadurch steigerbar, wenn der Druck innerhalb der Folienhülle auf einen Wert ≤ 0,01 mbar im Zuge des Evakuierungsschritts reduziert wird.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kern im Kompressionsschritt auf eine Dichte zwischen 150 kg/m³ und 350 kg/m³ komprimiert wird. Hierdurch lässt sich eine sehr gute Eigenstabilität des Kerns erzielen, wobei andererseits die Wärmedämmwirkung weiterhin ein angemessen hohes Maß aufweist. Für viele Anwendungsfälle ist dabei eine Dichte des Kerns von ca. 250 kg/m³ besonders geeignet, um diesen, einander entgegenstehenden Anforderungen in geeigneter Weise gerecht zu werden. Bei einer derartigen Dichte stellt der Kern eine besonders günstige Stützstruktur gegenüber dem Umgebungsdruck bereit, nämlich ausreichende mechanische Festigkeit gegen den Umgebungsdruck bei geringer Festkörperleitung des Faserkerns und guter Evakuierbarkeit aufgrund seiner Porosität.
Wenn die Mineralwolle Fasern mit einer Faserfeinheit mit einem Micronaire von kleiner oder gleich 20 l/min aufweist, die bestimmt ist nach der in der WO 2003/098209 A1 beschriebenen Methode, lässt sich ein Kern mit besonders guten Stützeigenschaften in Verbindung mit hervorragenden Dämmwerten erreichen. Im praktischen Versuchen hat sich gezeigt, dass diese Vorteile in besonders günstiger Weise dann erreicht werden, wenn die Fasern eine Faserfeinheit mit einem Micronaire von kleiner oder gleich 15 l/min aufweisen.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Filzbahn vor dem Trocknungsschritt ein Flächengewicht zwischen 800 g/m² und 2500 g/m² aufweist. Hierdurch lässt sich ein Kern mit besonders günstigen Eigenschaften erreichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Vakuum-Isolations-Paneels gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines Vakuum-Isolations-Paneels gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
3 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist schematisch ein Vakuum-Isolations-Paneel 1 gemäß einer ersten Ausführungsform im Schnitt gezeigt. Dieses weist eine Folienhülle 2 auf, die einen Kern 3 vollständig umhüllt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Folienhülle 2 aus Edelstahl ausgebildet und weist eine Schichtdicke von ca. 25 μm auf. Sie ist aus zwei Folienabschnitten 2a und 2b ausgebildet, welche in seitlichen Randbereichen des Kerns 3 an überstehenden Randabschnitten miteinander verschweißt sind. Innerhalb der Folienhülle 2 liegt ein Vakuum vor, in dem der Innendruck auf ca. 0,01 mbar eingestellt ist. Entgegen der schematischen Darstellung in 1 liegt die Folienhülle 2 daher in der Praxis dicht am Kern 3 an, wobei der Kern 3 als Stützkörper gegenüber dem Außendruck dient. Der Kern 3 besteht aus einer bindemittelfreien Mineralwolle, hier Glaswolle.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des Vakuum-Isolations-Paneels 1 anhand des in 3 dargestellten Ablaufschemas näher erläutert:
Zunächst wird ein Kernrohling geschaffen. Hierzu wird eine Filzbahn aus bindemittelfreier Mineralwolle bereitgestellt. Diese Filzbahn wird typischerweise in Rollenform beigebracht. Dabei liegt in der Regel zwischen den Wickellagen eine Folie vor, welche ein Verfilzen der Lagen untereinander verhindert und so zu einer Aufrechterhaltung des vorliegenden Flächengewichts beiträgt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist diese Filzbahn ein Flächengewicht von ca. 2500 g/m² auf und besteht aus Fasern mit einer Faserfeinheit mit einem Micronaire von 12 l/min.
Die Mineralwolle dieser Filzbahn wird dann erforderlichenfalls getrocknet, bis die Restfeuchte einen Wert kleiner 0,1% aufweist. Hierzu wird die Filzbahn mit einer Temperatur von ca. 150°C über einen Zeitraum von etwa zwei Minuten beaufschlagt. Dieser Trocknungsschritt der Mineralwolle kann sowohl an der Filzbahn an sich als auch an zugeschnittenen Filzbahnabschnitten erfolgen.
Das Zuschneiden der Filzbahn erfolgt hier auf ein vorbestimmtes Endmaß, welches sich an den typischen Abmaßen derartiger Vakuum-Isolations-Paneele orientiert. Übliche Dimensionen liegen hier im Bereich zwischen 600 mm·300 mm und 1800 mm·1200 mm. Das Zuschneiden kann dabei mit geeigneten bekannten Verfahren wie zum Beispiel Bandsägen, rotierenden Messern, Wasserstrahlschneiden, Stanzen oder dergleichen durchgeführt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden mehrere derart zugeschnittene Filzbahnabschnitte übereinander gestapelt, bis hinreichend Mineralwollematerial, d. h. die zur Herstellung der gewünschten Dämmdicke erforderliche Auflage vorliegt.
Hierauf folgt die Zugabe so genannter Getter-Materialien, Trocknungsmittel oder dergleichen, um bestimmte funktionale Verbesserungen des Werkstoffs des Kerns zu erreichen. Diese Materialien können als loses Pulver, blattförmig, et cetera zugegeben werden.
Anschließend werden die Folienabschnitte 2a und 2b an der Ober- und Unterseite des so ausgebildeten Kernrohlings angeordnet. Wie oben bereits dargelegt wurde, sind diese Folienabschnitte 2a und 2b hier aus Edelstahl ausgebildet. Sie dienen als Abdeckelemente für den Kernrohling zusätzlich zu ihrer Funktion als Umhüllung.
Im nächsten Schritt wird der zwischen den beiden Abdeckelementen, das heißt den Folienabschnitten 2a und 2b, vorliegende Kernrohling einer Kompression unter einem Pressdruck von ca. 100 kN/m² unterzogen. Die Kompression des Kernrohlings erfolgt bis auf eine vorbestimmte Dicke, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel ca. 4 cm beträgt. Hierdurch wird der Kern 3 ausgebildet.
Diese Kompression erfolgt dabei ohne thermische Beaufschlagung, das heißt ohne eine Erwärmung des Materials des Kerns und somit bei Raum- bzw. Umgebungstemperatur am Herstellungsort. Dabei wird die Dichte des Kerns 3 auf ca. 250 kg/m³ eingestellt.
In einem weiteren Schritt werden die Folienabschnitte 2a und 2b zunächst an drei Seitenrändern miteinander verschweißt, wie aus den Überständen in 1 ersichtlich ist. Der Abstand der Schweißnaht vom Kern 3 wird dabei auf wenige Millimeter begrenzt und beträgt hier weniger als 5 mm.
Während die Folienhülle 2 somit auf drei Seiten geschlossen wird, verbleibt der Kern 3 unter dem durch die mechanische Kompression aufgebrachten Kompressionsdruck und in seiner vorbestimmten Dicke.
In dieser Konstellation wird der Kern 3 mit der Folienhülle 2 in eine Vakuumanlage eingebracht und das Innere der Folienhülle 2 auf einen Innendruck von ca. 0,01 mbar evakuiert. Der Kern 3 bleibt dabei bis zum Verschließen der Folienhülle 2 unter dem Kompressionsdruck.
In einem abschließenden Schritt wird die Folienhülle 2 dann auch an der noch verbliebenen offenen Seite geschlossen, so dass die Seitenränder der Folienabschnitte 2a und 2b dann vollumfänglich miteinander verschweißt sind.
Da im Inneren der Folienhülle 2 dann das gewünschte Vakuum vorliegt, kann die mechanische Kompression hierauf dann anschließend aufgehoben werden. Es ist jedoch bevorzugt, die mechanische Kompression bis zum Druckausgleich, d. h. dem Fluten der Vakuumkammer aufrecht zu halten. Durch diese Maßnahme kann eine ggf. durch Rückstellkräfte des Kernmaterials verursachte Ausbeulung im Vakuum vermieden werden.
Mit den eingestellten Parametern resultiert eine Enddicke, die im wesentlichen der vorbestimmten Dicke entspricht.
Die Übergabe des mit den Folienabschnitten 2a und 2b belegten Kernrohlings von einer Verarbeitungsstation zur nächsten erfolgt hierbei über geeignete verschiebbare Transportbänder bzw. Rollengänge sowie Bleche, zwischen denen die Anordnung mittels einem Schieber transportiert wird. Insbesondere im Bereich der Vakuumanlage können diese Vorgänge robotergesteuert ausgeführt werden.
Das so ausgebildete Vakuum-Isolations-Paneel 1 ist dann transportfertig und kann ausgeliefert werden.
In 2 ist eine alternative Ausgestaltungsweise anhand eines Vakuum-Isolations-Paneels 1' gezeigt. Auch dieses weist eine Folienhülle 2' sowie einen Kern 3 auf. Die Folienhülle 2' ist hierbei jedoch als Kunststoffverbundfolie ausgebildet und weist eine Zweischichtstruktur aus einer 150 μm dicken HDPE-Schicht und einer 6 μm dicken Aluminium-Schicht auf. Sie enthält Folienabschnitte 2a' und 2b', welche ebenfalls an deren Rändern miteinander verschweißt sind. An den Großflächen des Kerns 3 sind jeweils Stützplatten 4 angeordnet, welche aus Metall, hier Edelstahl, ausgebildet sind. Ihre Größe entspricht im Wesentlichen der Dimension jeder Großfläche des Kerns 3. Die Stützplatten 4 weisen im Ausführungsbeispiel eine Dicke von 50 μm auf.
Die Darstellung in 2 ist dabei wiederum nur schematisch, da die Folienhülle 2' aufgrund des Vakuums im Inneren tatsächlich dicht am Kern 3 bzw. den Stützplatten 4 anliegt.
Nachfolgend wird eine Verfahrensweise zur Herstellung des Vakuum-Isolations-Paneels 1' näher erläutert (vgl. 3):
Die erste Verfahrensschritte bis zur Bereitstellung der Folienhülle 2' entsprechen im Wesentlichen jenen der ersten Ausführungsform. Es wird daher hierauf verwiesen. Bevor die Folienabschnitte 2a' und 2b' jedoch am Kernrohling angeordnet werden, werden die Stützplatten 4 an den Großflächen des Kernrohlings positioniert. Diese Anordnung ist aus 2 erkennbar. Diese Stützplatten 4 dienen als Abdeckelemente zur Lastübertragung, sind mit einer Dicke von ca 1 mm ausgebildet und weisen daher eine geringe Wärmeleitung auf. Zudem sind sie gasdicht, da sie aus Edelstahl ausgebildet sind. Diese Stützplatten 4 kapseln daher den Kernrohling im Bereich seiner Großflächen.
Der anschließende Kompressionsschritt wird unter den gleichen Parametern wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt. Der Kompressionsdruck wird dabei über die beiden Stützplatten 4 auf die Großflächen des Kernrohlings verteilt.
Anschließend wird die Folienhülle 2' auf drei Seiten durch ein Verschweißen bzw. Versiegeln der entsprechenden Seitenränder der Folienabschnitte 2a' und 2b' geschlossen. Da derartige Schweißränder der Kunststofffolien weggeklappt werden können, ist es im Rahmen der zweiten Ausführungsform nicht so wesentlich, einen besonders geringen Abstand der Schweißnaht vom Kern 3 einzustellen. Im vorliegenden Beispiel beträgt dieser ca. 13 mm.
Anschließend wird die Anordnung wie bereits in der ersten Ausführungsform unter Aufrechterhaltung des Kompressionsdrucks auf den Kern 3 in die Vakuumsanlage verbracht und dort evakuiert. Dann wird die Folienhülle 2' auf der noch verbliebenen offenen Seite geschlossen. Hierauf folgend wird der Kompressionsdruck aufgehoben und das so hergestellte Vakuum-Isolations-Paneel 1' ist schließlich fertig gestellt und kann ausgeliefert werden.
Auch im Rahmen dieser zweiten Ausführungsform wird der Kompressionsschritt ohne thermische Beaufschlagung des Kernmaterials, das heißt ohne eine spezielle Erwärmung desselben ausgeführt. Der Vorgang erfolgt unter der Raum- bzw. Umgebungstemperatur am Herstellungsort.
Im beiden Ausführungsformen wird das Herstellungsverfahren typischerweise außerhalb der Fertigungslinie diskontinuierlich ausgeführt. Unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise wenn eine Filzbahn mit geeigneten Parametern (Flächengewicht, et cetera) direkt erzeugt werden kann, ist jedoch auch eine Einbindung in eine kontinuierlich betriebene Fertigungslinie möglich.
In den gezeigten Ausführungsformen wird ein Gaseintritt in den Kern 3 – wie beim Vakuum-Isolations-Paneel 1' nach 2 – wenigstens weitestgehend oder auch – wie beim Vakuum-Isolations-Paneel 1 nach 1 – praktisch vollständig unterbunden. Dadurch weisen die Vakuum-Isolations-Paneele 1 bzw. 1' eine besonders hohe Lebensdauer auf, so dass sie ohne weiteres auch im Baubereich der Dämmung von Fassaden, Kühlraumwänden oder dergleichen eingesetzt werden können.
Die Erfindung lässt neben den erläuterten Ausführungsformen weitere Gestaltungsansätze zu.
So kann anstelle der Edelstahlfolie für die Folienhülle 2 auch eine Aluminiumfolie oder eine andere Metallfolie verwendet werden. Gleichermaßen kann anstelle der Verbundfolie in der zweiten Ausführungsform eine Mehrschicht-Kunststoffverbundfolie mit zum Beispiel mehrfacher Aluminiumbedampfung eingesetzt werden. Bei geringeren Anforderungen an die Funktionsdauer von wenigen Jahren kann auch eine Kunststofffolie Verwendung finden.
Die im Rahmen der zweiten Ausführungsform erläuterten Stützplatten 4 können zudem auch ergänzend bei einer Ausführungsvariante mit einer Folienhülle aus Metall eingesetzt werden. Ferner können das Material wie auch die Dicke der Stützplatten 4 von den dargelegten Angaben abweichen. Prinzipiell geeignet sind Materialien, die unter Vakuum nicht und nur sehr gering ausgasen, beispielsweise können Platten aus einem geeigneten Kunststoff wie HDPE, Polyamid, PVC oder Polypropylen eingesetzt werden. Die Stützplatten 4 können bevorzugt Schichtdicken zwischen 25 μm und 500 μm aufweisen.
Als Material für den Kern 3 ist hier Glaswolle vorgesehen; statt dessen können jedoch auch Steinwolle, Schlackenwolle, oder andere anorganische Fasern wie Textilglasfasern etc. eingesetzt werden.
Im Rahmen der zweiten Ausführungsform ist es ferner auch möglich, den Kompressionsschritt auszuführen, bevor die Folienhülle 2' zugegeben wird. Diese wird dann im nachfolgenden Schritt vor dem Evakuieren z. B. im Bereich einer Rollenführung über den unter mechanischer Kompression gehaltenen Kern 3 mit den beiden Stützplatten 4 an seinen Großflächen angeordnet.
Ferner ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Material des Kerns 3 einem Trocknungsschritt unterzogen wird. Auch das Maß der Trocknung kann gegebenenfalls entsprechend den Anforderungen für den Einsatzfall variieren. Dementsprechend können auch die Parameter für den Trocknungsschritt gegebenenfalls angepasst werden.
Die Bereitstellung des Kernrohlings kann auch in anderer Weise als der oben erläuterten erfolgen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, eine Filzbahn in Rollenform bereitzustellen. Diese kann zum Beispiel auch direkt aus einem Fallschacht, in dem die Filzbahn aus den soeben erzeugten Mineralfasern geschaffen wird, zugeführt werden. Auch auf das Stapeln von mehreren Filzbahnabschnitten kann eventuell verzichtet werden. Alternativ ist es auch möglich, eine Filzbahn in geeigneter Weise übereinander zu falten.
Die Zugabe von Getter-Materialien, Trocknungsmittel oder dergleichen, um bestimmte funktionale Verbesserungen des Werkstoffs des Kerns zu erreichen, kann auf der Filzbahn oder auf einem Filzbahnabschnitt vor einer Stapelung erfolgen, so dass die Gettermaterialien im Stapel und nicht an einer Oberfläche angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, dass die Getter nicht in unmittelbarem Kontakt mit den Folienhüllen oder Stützplatten sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Evakuierung des Vakuum-Isolations-Paneels 1 bzw. 1' bis zu einem Innendruck von 0,01 mbar. Es ist jedoch auch möglich, einen größeren Innendruck von beispielsweise 0,05 mbar oder 0,1 mbar zuzulassen, wenn dies der Anwendungszweck erlaubt. Andererseits kann es für spezielle Anwendungsfälle auch sachgerecht sein, den Innendruck noch weiter auf beispielsweise 0,001 mbar abzusenken.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Kern 3 im Kompressionsschritt auf eine Dichte von ca. 250 kg/m³ komprimiert. Je nach Anwendungsfall ist es jedoch auch möglich, eine andere geeignete Dichte im Bereich von 150 bis 350 kg/m³ beispielweise 175 kg/m³ oder 200 kg/m³ einzustellen.
Gleichermaßen ist es nicht erforderlich, Fasern mit der angegebenen Faserfeinheit entsprechend einem Micronaire von 12 l/min zu verwenden. Für viele Anwendungsfälle könnte es auch hinreichend sein, gröbere Fasern mit einem Micronaire kleiner 20 l/min einzusetzen.
Auch das Flächengewicht der Filzbahn vor dem Trocknungsschritt kann je nach den gegebenen Anforderungen variieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2745173 [0010]
EP 1892452 B1 [0010]
DE 60124242 T2 [0010]
EP 1653146 A1 [0010, 0011]
DE 202006002959 U1 [0023, 0023]
WO 2003/098209 A1 [0033]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Isolations-Paneelen (1; 1') mit einem Kern (3) aus Fasern, mit den Schritten: Bereitstellen eines Kernrohlings aus Fasern, Komprimieren des Kernrohlings auf eine vorbestimmte Dicke zur Ausbildung des Kerns (3), Evakuierung einer den Kern (3) umhüllenden Folienhülle (2; 2') bis zu einem Druck ≤ 1 mbar, und Verschließen der Folienhülle (2; 2'), dadurch gekennzeichnet, dass der Kernrohling beim Kompressionsschritt zwischen zwei Abdeckelementen angeordnet ist und zwischen diesen mechanisch komprimiert wird, dass die mechanische Kompression des Kerns (3) bis zum Verschließen der Folienhülle (2; 2') gehalten wird, und dass der Kompressionsschritt ohne thermische Beaufschlagung bei Raumtemperatur am Herstellungsort durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienhülle (2) aus einer Metallfolie, vorzugsweise einer Edelstahlfolie, ausgebildet ist, und der Kernrohling vor dem Kompressionsschritt mit der Folienhülle (2) umhüllt wird, wobei Folienabschnitte (2a, 2b) hiervon als die beiden Abdeckelemente dienen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienhülle (2') aus einer Kunststoffverbundfolie ausgebildet ist, wobei vor dem Kompressionsschritt zusätzlich zwei als Abdeckelemente dienende Stützplatten (4) an den Großflächen des Kernrohlings angeordnet werden, und wobei die Stützplatten (4) aus einem druckfesten, nicht unter Vakuum ausgasendem Material, insbesondere aus Metall oder aus einem Kunststoff, besonders bevorzugt HDPE, Polyamid, PVC oder Polypropylen, ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern kein sich im Vakuum zersetzendes Bindemittel, insbesondere kein organisches Bindemittel, aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern organische Fasern aus einem thermoplastischen Material sind, bevorzugt aus Polyethylen, Polyamid oder Polypropylen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern anorganische Fasern, bevorzugt Mineralwolle, insbesondere Glaswolle oder Steinwolle, oder Textilglasfasern sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Kernrohlings das Trocknen der anorganischen Fasern des Kernrohlings bis zu einer Restfeuchte < 0,1% enthält.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsschritt bei einer Temperatur erfolgt, die mindestens 200 K unter der Erweichungstemperatur der Fasern liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Kernrohlings das Bereitstellen einer Filzbahn aus Fasern, das Zuschneiden der Filzbahn auf ein vorbestimmtes Endmaß und gegebenfalls ein Stapeln von mehreren zugeschnittenen Filzbahnabschnitten enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Kernrohlings das Bereitstellen mehrerer Filzbahnen aus Fasern, das Stapeln der mehreren Filzbahnen aufeinander und das Zuschneiden des Filzbahnstapels auf ein vorbestimmtes Endmaß enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Evakuierens des mit einer Folienhülle (2; 2') umhüllten Kerns (3) bis zu einem Druck ≤ 0,05 mbar, insbesondere ≤ 0,01 mbar, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (3) im Kompressionsschritt auf eine Dichte zwischen 150 kg/m³ und 350 kg/m³, insbesondere von ca. 250 kg/m³, komprimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralwolle Fasern mit einer Faserfeinheit entsprechend einem Micronaire kleiner oder gleich 20 l/min und insbesondere einem Micronaire von kleiner oder gleich 15 l/min aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzbahn vor dem Trocknungsschritt ein Flächengewicht zwischen 800 g/m² und 2500 g/m² aufweist.