DE102016006096A1

DE102016006096A1 - Elastisch anpassbare, mit verschiedenen Gasen befüllbare und hochwärmedämmende Folienisolation

Info

Publication number: DE102016006096A1
Application number: DE102016006096.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Manara; Andreas Beck
Original assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Current assignee: Bayerisches Zentrum fuer Angewandte Energieforschung eV
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Folienisolation, die aus mehreren Folien-Lagen mit IR-reflektierenden Oberflächen besteht, deren Zwischenräume aus einzelnen Stützen oder einem Material geringer Dichte bestehen welche als Abstandhalter dienen und in Kombination mit den IR-reflektierenden Folien sowie optional einer Schwergasfüllung den Wärmedurchgang bzw. die Wärmeübertragung sowohl durch Festkörper- und Gaswärmeleitung als auch durch Wärmestrahlung minimieren. Die Folienisolation zeichnet sich dabei unter anderem durch die Art der Abstandshalter aus, die teilweise elastisch sind und sich somit einerseits flexibel an die Einbausituation anpassen können und andererseits eine optimale Flexibilität und Komprimierung während der Verarbeitung und des Transports bieten sowie durch den gasdichten Randverbund aus. Die Einsatzbereiche einer solchen Folienisolation sind alle zu dämmenden Hohlräume bei denen kein zusätzlicher äußerer Druck auf die Dämmung ausgeübt wird. Beispiele sind Zwischensparrendämmung, Dachdämmungen, Fassadendämmungen, Anschlussdämmung, Kühlschränke, Gefriertruhen, Transportboxen, Cateringbehälter, etc.

Description

Die Erfindung betrifft eine Folienisolation nach Anspruch 1, die aus mehreren Folien-Lagen mit IR-reflektierenden Oberflächen besteht, deren Zwischenräume aus einzelnen Stützen oder einem Material geringer Dichte bestehen welche als Abstandhalter dienen und in Kombination mit den IR-reflektierenden Folien den Wärmedurchgang bzw. die Wärmeübertragung sowohl durch Festkörperwärmeleitung als auch durch Wärmestrahlung minimieren. Weiterhin kann der Wärmedurchgang bzw. die Wärmeübertragung durch Gaswärmeleitung durch eine Befüllung der Zwischenräume mit Schwergas (inklusive entsprechender Versiegelung der Ränder) vermindert werden. Die Folienisolation zeichnet sich dabei unter anderem durch die Art der Abstandshalter aus, die teilweise elastisch sind und sich somit einerseits flexibel an die Einbausituation anpassen können und andererseits eine optimale Flexibilität und Komprimierung während der Verarbeitung und des Transports bieten.
Stand der Technik
Folienisolationen werden derzeit hauptsächlich in der Kryotechnik eingesetzt. Dort dienen sie vorwiegend als Strahlungsschilde und erreichen im Vakuum die niedrigsten möglichen Wärmeleitfähigkeiten in der Größenordnung von μW/(m·K). Man findet Foliendämmungen als transluzente Variante im Gewächshausbau. Auch als Verpackungsmaterial werden sie verwendet. In letzter Zeit werden Systeme auf der Basis von Luftpolsterfolien untersucht, um diese in der Gebäudedämmung einzusetzen. Alternativ existieren auch Systeme mit Faser- oder Schaum-basierten Dämmlagen zwischen den Folienschichten. Allerdings schöpfen diese Produkte das mögliche Potenzial noch nicht vollständig aus und sind daher optimierungsfähig. In den USA wurden bereits in den 1990er Jahren mit Edelgasen gefüllte Folienaufbauten (GFP = Gas filled Panels) vorgeschlagen, mit welchen Wärmeleitfähigkeiten im Bereich der ruhenden Füllgase erreicht wurden. Bei den dabei verwendeten Folien handelt es sich um metallisierte Folien, welche die Wärmestrahlung effizient reflektieren und selbst wenig Wärme an die Umgebung abstrahlen.
Es finden sich umfangreiche Informationen zum Einsatz der Foliendämmung in Gebäuden, z. B. bei „Oak Ridge National Laboratory (ORNL)”. In Europa gibt es Normungsbestrebungen, die im Rahmen der CEN/TC 89 WG/12 ein standardisiertes Charakterisierungsverfahren für Foliendämmungen vorgeben sollen.
Darüber hinaus existieren auf dem Gebiet der Foliendämmungen einige Patentanmeldungen, die „Gas filled Panels” umfassen. Diese reichen von den Siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts bis in die Zehner Jahre unseres Jahrhunderts, wie beispielsweise US 3730240 A , US 4808457 A , US 5270092 A und US 2012/0156455 A1 . In den Anmeldungen US 4808457 A und US 2012/0156455 A1 fehlt die Möglichkeit einer flexiblen Anpassung des Panels, was zu massiven Problemen beim Einbau in unterschiedliche oder ungleichmäßig geformte Hohlräume führt und beispielsweise eine Anwendung als Anschlussdämmung von Fenstern und Türen schwierig gestaltet. Die Anmeldungen US 3730240 A und US 5270092 A weisen zwar eine flexible Form auf, allerdings keine elastischen Abstandshalter, welche eine reversible Komprimierung und Dekomprimierung der Foliendämmung zum platzsparenden Transport und zur einfachen Einbringung in den Wandaufbau durch passives oder aktives Aufblasen des Paneel infolge einer selbst-Dekomprimierung des Paneels oder des Einblasens von Gasen erlauben. Die in US 3730240 A und US 5270092 beschriebenen Abstandshalter weisen bauartbedingt, trotz der Flexibilität eine zu hohe Festkörperwärmleitfähigkeit auf oder es sind zu wenig Folienlagen eingebaut.
Bei den kommerziell verfügbaren „Gas filled Panels” werden lediglich Werte von ca. 46 mW/(m·K) bei einer Luftfüllung und etwa 40 mW/(m·K) bei einer Argonfüllung erreicht, was im Wesentlichen durch die Festkörperwärmeleitung über die bisher nicht ausreichend optimierten Abstandshalter bzw. Zwischenlagen, die sich zwischen den metallisierten Folien befinden, verursacht wird. Diese Werte liegen jeweils deutlich über den theoretisch erreichbaren Werten. In der Literatur wird zwischen den beschriebenen „Gas filled Panels” und so genannten „Gas insulation Materials (GIM)” unterschieden. Bei letzteren handelt es sich um Schwergasgefüllte Schäume, deren bekanntester Vertreter Polyurethan-Schaum ist. Zum einen ist ein solcher Schaum nicht flexibel und zum anderen steigt die Wärmeleitfähigkeit konstruktionsbedingt im Laufe der Zeit stark an, was auf einen kontinuierlichen Verlust des Schwergases zurückzuführten ist.
Aufbau der Erfindung und Neuheit
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein hochwärmedämmnde, elastische anpassbare Folienisolation bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile überwindet.
Zur Lösung dieser Problematik werden Kunststofffolien mit einer nm-dicken Metallbedampfung 1 beaufschlagt, die die Wärmeabstrahlung pro Oberfläche um bis zu einen Faktor 20 vermindert. Weiterhin stellen Abstandshalter aus Schaumstoffen 2 oder Fasern einen geeigneten Hohlraum 3 zur Verfügung, in den ein beliebiges Gas eingefüllt werden kann. Die Abstände zwischen den Folien 4 sind so bemessen, dass der Wärmetransport durch Konvektion des enthaltenen Gases verhindert wird und nur die Wärmeleitfähigkeit des Gases zum Tragen kommt. Die äußere Hülle besteht aus vakuumdichten Hochbarrierefolien, die am Rand verschweißt werden, insbesondere mehrschichtigen Hochbarrierelaminaten. 1 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Foliendämmung, bei der es sich um eine elastisch anpassbare, mit verschiedenen Gasen befüllbare und hochwärmedämmende Folienisolation mit metallischen Folien und Abstandshaltern handelt, im Querschnitt (oben) und in Aufsicht (unten).
Die Aufgabe wird durch den elastischen Folienaufbau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße elastisch anpassbare Folienisolation mit einem derartigen Aufbau erreicht extrem niedrige Wärmeleitfähigkeiten. In 2 ist die Wärmeleitfähigkeit einer erfindungsgemäßen Foliendämmung in Abhängigkeit vom Emissionsgrad der metallischen Beschichtung (low-e Schicht) für zwei typische Folienabstände (5 und 6) und einer Luftfüllung sowie einen Anteil der Abstandshalter an der Gesamtfläche von 5% dargestellt. In 3 ist die Wärmeleitfähigkeit einer Foliendämmung in Abhängigkeit vom Anteil der Abstandshalter für zwei typische Folienabstände (7 und 8) und einer Luftfüllung sowie einem Emissionsgrad der metallischen Beschichtung (low-e Schicht) von 0,075 dargestellt. Zum Vergleich ist in 2 und 3 jeweils die Wärmeleitfähigkeit der ruhenden Luft eingetragen (9). Die Abstandshalter besitzen dabei eine Wärmeleitfähigkeit von 40 mW/(m·K).
Bei der Verwendung von metallisierten Folien und elastischen Abstandshaltern, vergleiche Ausführungsbeispiel 1, ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit, die bis auf 2 mW/(m·K) an die Wärmeleitfähigkeit von ruhender Luft (25 mW/(m·K) bei 10°C) herankommt. Dies gilt ebenfalls für andere Füllgase, so dass mit Argon als Füllgas 20 mW/(m·K), mit Cyclopentan 14 mW/(m·K), mit Krypton 11 mW/m·K) und mit Xenon sogar 8 mW/(m·K) erreicht werden, das heißt jeweils die entsprechende Gaswärmeleitfähigkeit des eingesetzten, ruhenden Gases plus 2 mW/(m·K)). Damit liegt man deutlich unter den Werten, die mit konventionellen Schäumen und Fasern sowie mit kommerziell verfügbaren Foliendämmungen erreicht werden. Das Neuartige an obiger Foliendämmung ist zum einen ihre weit über den Stand der Technik hinaus erreichbare niedrige Wärmeleitfähigkeit von bis zu 8 mW/(m·K) gegenüber 40 mW/(m·K) bei Standardfoliendämmungen. Zum anderen besitzt sie eine hohe mechanische Flexibilität; mit elastischen Stützen versehen, kann sie durch Abpumpen der Luft im Folienzwischenraum platzsparend gelagert werden. Erst im Anwendungsfall bläst man das Füllgas (Luft bzw. eines der oben genannten Schwergase) ein. Eine weitere Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Foliendämmung dehnt sich selbständig aus, wobei das Gas in die Folienhohlräume einströmt. Die Dämmung schmiegt sich dann von selbst in die zu dämmenden Hohlräume ein, ähnlich einem PU-Schaum, nur ohne Emission von schädlichen Gasen. Später kann die Dämmung durch Absaugen leicht entfernt und recycelt werden. Die Dämmung ist außerdem extrem dicht gegenüber Feuchtetransport und stellt somit eine Barriere für die Feuchtediffusion dar. Darüber hinaus ist sie anderen Dämmvarianten durch ihr äußerst geringes Gewicht überlegen.
Einsatzbereiche sind alle zu dämmenden Hohlräume bei denen kein zusätzlicher äußerer Druck auf die Dämmung ausgeübt wird. Beispiele sind Zwischensparrendämmung, Dachdämmungen, Fassadendämmungen, Anschlussdämmung, Kühlschränke, Gefriertruhen, Transportboxen, Cateringbehälter, etc.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Bei den jeweils angegebenen Wärmeleitfähigkeiten handelt es sich um so genannte effektive Wärmeleitfähigkeiten die aus dem Wärmedurchgangskoeffizienten und der Dicke der Dämmung berechnet wurden und die anstelle des Wärmedurchgangskoeffizienten zur besseren Vergleichbarkeit mit konventionellen Dämmungen angegeben werden.
Es zeigen:
1 den Aufbau des elastischen Dämmelementes.
2 den Vergleich der effektiven Wärmeleitfähigkeit zweier Foliendämmungen (Ausführungsbeispiel 3) in Abhängigkeit vom Emissionsgrad der Beschichtung bei einer Luftfüllung und einem Stützenanteil von 5% für zwei verschiedene Folienabstände.
3 den Vergleich der effektiven Wärmeleitfähigkeit zweier Foliendämmungen (Ausführungsbeispiel 4) in Abhängigkeit vom Emissionsgrad bei einer Luftfüllung für zwei verschiedene Folienabstände. Der Stützenanteil beträgt dabei jeweils 5%.
4 den Vergleich der effektiven Wärmeleitfähigkeit zweier Foliendämmungen (Ausführungsbeispiel 4) in Abhängigkeit vom Stützenanteil bei einer Luftfüllung für zwei verschiedene Folienabstände. Der Emissionsgrad der Folien beträgt dabei jeweils 0,075.
Ausführungsbeispiel 1
Eine elastisch anpassbare Folienisolation bestehend aus 4 metallbedampften Polymerfolien mit einem Emissionsgrad von jeweils 0,1 und einem Anteil der Abstandshalter von 10%. Die elastischen Abstandshalter bestehen aus Schaumstoff und sind zwischen Ebene 1 und Ebene 2 versetzt angeordnet (vergleiche 1). Der Abstand zwischen zwei Folien beträgt 5 mm. Die resultierende effektive Wärmeleitfähigkeit mit Luft als Füllgas liegt bei ca. 27 mW(m·K).
Ausführungsbeispiel 2
Eine elastisch anpassbare Folienisolation bestehend aus 8 metallbedampften Polymerfolien mit einem Emissionsgrad von jeweils 0,1 und einem Anteil der Abstandshalter von 20%. Die elastischen Abstandshalter bestehen aus Polyester-Faservliesen. Der Abstand zwischen zwei Folien beträgt 5 mm. Die resultierende effektive Wärmeleitfähigkeit mit Luft als Füllgas liegt bei ca. 29 mW(m·K).
Bezugszeichenliste

1: metallbedampfte Folie mit einem Emissionsgrad von höchstens 0,1 und Kunststofffolie und einem Anteil der Abstandshalter von maximal 25%
2: Schaumstoff- oder Faser-basierter elastischer Abstandshalter 2a elastischer Abstandshalter in Ebene 1 2b elastischer Abstandshalter in Ebene 2
3: Hohlraum
4: Abstand zwischen zwei Folien kleiner als 5 mm
5: Foliendämmung mit Folienabstand 12 mm
6: Foliendämmung mit Folienabstand 6 mm
7: Foliendämmung mit Folienabstand 12 mm
8: Foliendämmung mit Folienabstand 6 mm
9: Wärmeleitfähigkeit von ruhender Luft bei 10°C

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3730240 A [0004, 0004]
US 4808457 A [0004]
US 5270092 A [0004]
US 2012/0156455 A1 [0004]
US 5270092 [0004]

Claims

Elastisch anpassbare Folienisolation bestehend aus mehreren metallbedampften Folien, einer äußeren Hülle aus vakuumdichten Hochbarrierelaminaten und einer Gasfüllung dadurch gekennzeichnet, dass die Folien durch Abstandshalter gerade so beabstandet sind, dass der Wärmetransport durch Konvektion des enthaltenen Gases verhindert wird und nur die Wärmeleitfähigkeit des Gases zum Tragen kommt.
Elastisch anpassbare Folienisolation nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Dämmelement gemäß EN ISO 6946 einer effektiven Wärmeleitfähigkeit von kleiner als 30 mW/(m·K), bevorzugt einer effektiven Wärmeleitfähigkeit von kleiner als 20 mW/(m·K), besonders bevorzugt einer effektiven Wärmeleitfähigkeit von kleiner als 15 mW/(m·K).
Elastisch anpassbare Folienisolation nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, insbesondere alle, der metallbedampften Schichten auf den Folien einen Emissionsgrad von kleiner als 0,3, bevorzugt von kleiner als 0,1 und besonders bevorzugt von kleiner als 0,05 aufweisen.
Elastisch anpassbare Folienisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den eingesetzten Folien um Polymerfolien, insbesondere um mehrschichtige Hochbarrierelaminate handelt.
Elastisch anpassbare Folienisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Metallisierung um Aluminium, Silber, Gold, Zinn, Zink, Kupfer, Chrom, Nickel oder Legierungen daraus handelt.
Elastisch anpassbare Folienisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Abstandshaltern um Glasfaser-, Mineralfaser-, Mineralwolle- oder Polyestervliese oder einen Schaumstoff oder eine Kombination dieser handelt.
Elastisch anpassbare Folienisolation nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Füllgas um Luft oder Gase handelt, die schwerer sind als Luft, insbesondere um Argon, Krypton, Xenon oder Kohlendioxid, Cyclopentan oder Gemische daraus.
Verwendung eines erfindungsgemäßen elastischen Dämmelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Zwischensparrendämmung, Dachdämmung, Fassadendämmungen, Anschlussdämmung und als Dämmung in Kühlschränken, Gefriertruhen, Transportboxen, Cateringbehältern sowie als Dämmung im Automobil und Luftfahrtbereich.