DE19704323C1 - Vacuum-containing thermal insulator - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlkörper zur Wärmedämmung, der zwei im wesentlichen ebene und zueinander im wesentlichen parallel verlaufende Hauptseiten besitzt und mindestens bis zum Beginn der Molekularströmungsbedingungen evakuiert ist, wobei der Innenraum des Hohlkörpers mit einem Stützkörper aus faserartigem Material geringer Wärmeleitfä higkeit gefüllt ist. The invention relates to a hollow body for Thermal insulation, the two essentially flat and to each other has essentially parallel main pages and at least until the beginning of the molecular flow conditions is evacuated, the interior of the hollow body having a Support body made of fibrous material with low thermal conductivity ability is filled.
Die Erfindung gehört in den Bereich der Vakuum-Supe risolation, deren älteste Anwendungen schon im vorigen Jahr hundert als Thermoskanne bekannt waren. In dem Innenraum des Hohlkörpers wird ein Druck von beispielsweise unter 10-3 mbar hergestellt, so daß für die verbleibenden Gase Molekular strömungsbedingungen entstehen, d. h. die Moleküle sich prak tisch nicht mehr aneinander, sondern praktisch nur noch an den Wänden des Gefäßes stoßen. Um zusätzlich die Wärmestrah lung zu behindern, werden die Innenflächen des Hohlkörpers verspiegelt.The invention belongs to the field of vacuum superrolation, the oldest applications of which were known as thermos in the previous century. In the interior of the hollow body, a pressure of, for example, below 10 -3 mbar is produced, so that molecular flow conditions arise for the remaining gases, ie the molecules practically no longer collide with one another, but practically only bump against the walls of the vessel. To additionally hinder heat radiation, the inner surfaces of the hollow body are mirrored.
In letzter Zeit wurde dieses Prinzip von als konzen trische Doppelrohre ausgebildeten Hohlkörpern auch auf ande re Formen ausgedehnt, nämlich auf plattenförmige Hohlkörper mit zwei flachen, parallelen Hauptseiten. Dabei ergibt sich die Notwendigkeit einer inneren Abstützung der beiden Haupt seiten gegeneinander, die sich sonst aufgrund des Druckun terschieds zur Außenatmosphäre einander annähern würden. Während stabile Stützen ausscheiden, denn sie bilden Wärme brücken, hat man positive Erfahrungen mit pulver- oder fa serartigen Füllungen aus Kieselerde, Diathomeenerde sowie Glas oder Keramikfasern gemacht. Die Füllung dient nicht nur zur Abstützung gegen den äußeren atmosphärischen Druck, son dern durch die vielen Grenzflächen auch als Barriere für die Wärmestrahlung. Durch die Punktberührung zwischen den ein zelnen Teilchen der Füllung wird die Festkörper-Wärmeleitung der verwendeten Materialien stark herabgesetzt. So erreicht man mit solchen pulvergefüllten Hohlkörpern eine Wärmeleit fähigkeit von 2 mW.m.K-1, d. h. Werte, die um mindestens den Faktor 10 besser als die besten Kunststoffschäume sind.Recently, this principle of hollow bodies designed as concentric double tubes has also been extended to other shapes, namely plate-shaped hollow bodies with two flat, parallel main sides. This results in the need for an inner support of the two main sides against each other, which would otherwise approach each other due to the Druckun difference to the outside atmosphere. While stable supports are eliminated because they form heat bridges, positive experiences have been made with powder-like or fiber-like fillings made of silica, diathome earth and glass or ceramic fibers. The filling not only serves as a support against the external atmospheric pressure, but also as a barrier to heat radiation due to the many interfaces. Due to the point contact between the individual particles of the filling, the solid-state heat conduction of the materials used is greatly reduced. With such powder-filled hollow bodies, a thermal conductivity of 2 mW.mK -1 can be achieved , ie values that are at least 10 times better than the best plastic foams.
Außerdem ergeben sich Molekularströmungsbedingungen in einem solchen mit Pulvern oder Fasern gefüllten Hohlkör per bereits bei einem höheren Grenzdruck von zwischen 0,1 und 10 mbar, d. h. bei Werten, die um mindestens den Faktor 100 höher liegen als in einem reinen Vakuumgefäß.Molecular flow conditions also result in such a hollow body filled with powders or fibers per already at a higher limit pressure of between 0.1 and 10 mbar, d. H. for values that are at least a factor 100 higher than in a pure vacuum vessel.
Um nach dem Evakuieren des Hohlkörpers eine kontrol lierte Enddicke der Füllung zu erreichen, die die gewünschte Abstützung bewirkt, mußte bisher das Faserpaket, ein soge nanntes Faserboard, bei Temperaturen von 400 bis 600°C und einem Preßdruck von 1 Bar getempert werden.In order to carry out a check after evacuating the hollow body the final thickness of the filling to achieve the desired Previously, the fiber package, a so-called called fiber board, at temperatures from 400 to 600 ° C and be pressed at a pressure of 1 bar.
Als Material für die Wände des Hohlkörpers kommen Glasscheiben, Metallbleche oder diffusionsfeste Kunststoff folien in Frage. Der abschließende Randstreifen, der die beiden Hauptseiten verbindet, sollte keine Wärmebrücke bil den und wird oft aus einem Sandwich von Folien verschiedener Materialien gebildet, das mit den Hauptseiten verschweißt oder durch Kleber verbunden wird.Come as material for the walls of the hollow body Glass panes, metal sheets or diffusion-resistant plastic foils in question. The final edge strip, which the connects both main sides, no thermal bridge should bil and is often made from a sandwich of foils different Materials formed that are welded to the main sides or is connected by adhesive.
Ein Problem der mit Pulver oder Fasern gefüllten Hohlkörper zur Wärmedämmung ergibt sich beim Abpumpen des Innenraums des Hohlkörpers, um die gewünschten Molekular strömungsbedingungen zu erreichen. Die stark vergrößerte innere Oberfläche entgast nämlich nur langsam, und die bis her verwendeten Materialien widersetzen sich wegen ihrer Adsorptionseigenschaften einer dauerhaften Entgasung. Ein anderes Problem ist die mangelnde mechanische Stabilität, insbesondere von Pulverschüttungen, gegenüber Vibrationen, so daß die Stützeigenschaft der Füllung auf Dauer nicht ge währleistet war.A problem of being filled with powder or fiber Hollow body for thermal insulation results when pumping the Interior of the hollow body to the desired molecular to achieve flow conditions. The greatly enlarged inner surface degasses only slowly, and the up her used materials resist because of their Adsorption properties of permanent degassing. A another problem is the lack of mechanical stability, especially of powder spills, against vibrations, so that the support property of the filling is not ge in the long run was guaranteed.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen evakuierten Hohlkörper der oben angegebenen Art zur Wärmeisolierung, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der zuverlässig auf einen Enddruck evakuiert werden kann, bei dem Molekularströmungsbedingungen herrschen, und der seine Stützeigenschaften bei mechanischen Belastungen wie z. B. Vibrationen nicht verliert.The object of the invention is therefore an evacuated Hollow body of the type specified above for thermal insulation, and to specify a process for its production which can be reliably evacuated to a final pressure at the molecular flow conditions prevail, and his Support properties under mechanical loads such as B. Vibrations do not lose.
Diese Aufgabe wird durch den Hohlkörper gelöst, der in Anspruch 1 definiert ist, bzw. durch das Verfahren zu seiner Herstellung gemäß Anspruch 11.This task is solved by the hollow body, the is defined in claim 1, or by the method its manufacture according to claim 11.
Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.Regarding features of preferred embodiments the invention is made to the dependent claims.
Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele und der bei liegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will now become more preferred based on some Embodiments and closer to the drawings explained.
Fig. 1 zeigt einen Sonnenkollektor mit einem erfin dungsgemäßen Hohlkörper. Fig. 1 shows a solar collector with a hollow body according to the invention.
Fig. 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Hohlkörpers aus Fig. 1, der sich beispielsweise für eine Fußbodenheizung eignet. FIG. 2 shows a variant of the hollow body according to the invention from FIG. 1, which is suitable, for example, for underfloor heating.
Fig. 3 zeigt schematisch, wie ein Hohlkörper gemäß den Fig. 1 und 2 evakuiert und dann vakuumdicht ver schlossen werden kann. Fig. 3 shows schematically how a hollow body according to FIGS. 1 and 2 can be evacuated and then closed in a vacuum-tight manner.
In Fig. 1 ist ein Hohlkörper 1 in Form einer doppel wandigen Wanne zu sehen, die mit einer wärmestrahlungsdurch lässigen Platte 2 abgedeckt ist. Diese Platte kann bei spielsweise aus Glas sein und mit Siliziumoxid SiO2 beschich tet sein. Die Unterseite der Platte 2 kann mit einer dünnen Silberschicht versehen sein, um eine Abstrahlung von Wärme durch die Platte 2 hindurch nach außen einzuschränken. Zwi schen dem Hohlkörper 1 und der Platte 2 herrscht ein Vakuum von ≦ 10-3 mbar.In Fig. 1, a hollow body 1 can be seen in the form of a double-walled tub, which is covered with a plate 2 permeable to heat radiation. This plate can, for example, be made of glass and be coated with silicon oxide SiO 2 . The underside of the plate 2 can be provided with a thin silver layer in order to restrict the radiation of heat through the plate 2 to the outside. Between the hollow body 1 and the plate 2 there is a vacuum of ≦ 10 -3 mbar.
Auf dem Grund der Wanne befindet sich der eigentliche Sonnenkollektor in Form einer gewellten Folie 3 aus Metall mit einer Beschichtung von z. B. Titanoxinitrit, die die durch die Platte 2 ankommende Wärmestrahlung absorbiert und die Wärme an ein Wärmeträgerfluid abgibt, das zwischen die ser Folie und dem Grund der Wanne 1 in Kanälen 4 zirkuliert.At the bottom of the tub is the actual solar collector in the form of a corrugated sheet 3 made of metal with a coating of e.g. B. titanium oxynitrite, which absorbs the incoming heat radiation through the plate 2 and emits the heat to a heat transfer fluid that circulates between the water film and the bottom of the tub 1 in channels 4 .
Wichtig für einen hohen Wirkungsgrad eines solchen Sonnenkollektors ist eine möglichst gute Wärmedämmung zwi schen diesen Kanälen 4 und der Unterseite der Wanne 1. Daher ist die Wanne als ein doppelwandiger Hohlkörper ausgebildet, der, wie oben erwähnt, eine Füllung hauptsächlich aus Stein wolle zur Abstützung des Innenraums des Hohlkörpers gegen den Atmosphärendruck besitzt, da dieser Innenraum auf einem Unterdruck liegen muß, bei dem Molekularströmungsbedingungen herrschen.Important for the high efficiency of such a solar collector is the best possible thermal insulation between these channels 4 and the underside of the tub 1 . Therefore, the trough is designed as a double-walled hollow body, which, as mentioned above, has a filling mainly made of stone to support the interior of the hollow body against atmospheric pressure, since this interior must be at a negative pressure in which molecular flow conditions prevail.
Der Hohlkörper besteht aus zwei Hälften 5, 6, die entlang des Kontaktbereichs mit der transparenten Platte 2 miteinander verbunden sind. Die beiden Wannenhälften 5, 6 sind aus einem harten Metall wie z. B. Weißblech einer Dicke von 0,4 mm. Der Randstreifen 7, der die beiden Wannenhälften im Kontaktbereich mit der Platte 2 verbindet, soll eine mög lichst geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen und besteht daher aus einem wesentlich dünneren Blech, das beschichtet sein kann. Als Randstreifen 7 kommt auch eine mehrlagige Kunststoffolie oder eine metallbeschichtete Kunststoffolie in Frage, vorzugsweise verbindet man die beiden Wannenhälften mit dem Randstreifen durch Verklebung, indem man die Verbin dungsstellen mit Plasma- oder Silicoaterverfahren (Flamm- CVD) vorbehandelt und dann mit einem fluorierten Kleber dif fusionsdicht verklebt.The hollow body consists of two halves 5 , 6 , which are connected to one another along the contact region with the transparent plate 2 . The two trough halves 5 , 6 are made of a hard metal such as. B. Tinplate with a thickness of 0.4 mm. The edge strip 7 , which connects the two trough halves in the contact area with the plate 2 , should have the lowest possible thermal conductivity and therefore consists of a much thinner sheet which can be coated. As edge strip 7 is also a multi-layer plastic film or a metal-coated plastic film in question, preferably one connects the two tub halves to the edge strip by gluing, by pretreating the connection points with plasma or silicoater processes (flame CVD) and then with a fluorinated adhesive dif bonded fusion-tight.
Es wäre auch möglich, den Randstreifen und die beiden Wannenhälften durch Bördeln ähnlich wie bei einer Gemüsedose zu verbinden.It would also be possible to have the edge strip and the two Half of the tub by flaring similar to a vegetable tin connect to.
Ehe die beiden Wannenhälften zusammengefügt werden, bereitet man einen Stützkörper 8 vor, der genau den Innen raum des Hohlkörpers füllt, indem man Steinwollfasern, deren typische Faserdurchmesser bei 10 µm liegen, mit einem Faser bindemittel mischt, das etwa 1 bis 3 Gew.-% des Fasergewichts ausmacht. Als Faserbindemittel kommt beispielsweise Wasser glas (Natrium- oder Kaliumsilikat) oder ein organisches Bin demittel wie ein Plasmapolymerisat (Polystyrol, Methylmetha crylat), Hexamethyldisiloxan (HMD-(S)) oder ein Polykonden sationsharz (Phenol-, Kresol-, Melamin- oder Harnstoffharz) in Frage. Die Menge des Bindemittels ist so gewählt, daß die Fasern sich zwar an ihren Kreuzungspunkten miteinander ver kleben, aber die Hohlräume zwischen den Fasern nicht gefüllt werden. Dieser Stützkörper 8 wird dann unter einem Druck von etwa 1 Bar in die gewünschte Form gepreßt, die der des In nenraums der Wanne 1 entsprechen soll.Before the two trough halves are joined together, a support body 8 is prepared which exactly fills the interior of the hollow body by mixing rock wool fibers, the typical fiber diameter of which is 10 µm, with a fiber binder which contains about 1 to 3% by weight. of the fiber weight. Examples of fiber binders are water glass (sodium or potassium silicate) or an organic binder such as a plasma polymer (polystyrene, methyl methacrylate), hexamethyldisiloxane (HMD- (S)) or a polycondensation resin (phenol, cresol, melamine or urea resin) ) in question. The amount of binder is chosen so that the fibers stick together at their crossing points, but the voids between the fibers are not filled. This support body 8 is then pressed under a pressure of about 1 bar into the desired shape, which should correspond to that of the inner space of the tub 1 .
Der so stabilisierte Stützkörper 8 wird also zwischen die beiden Wannenhälften 5, 6 gelegt, worauf diese vakuum dicht wie oben erwähnt miteinander verbunden werden.The support body 8 thus stabilized is thus placed between the two trough halves 5 , 6 , whereupon these are connected to one another in a vacuum-tight manner, as mentioned above.
Es kann sinnvoll sein, den Steinwollefasern Zeolith körner mit einem Gewichtsanteil von bis zu 10% hinzuzufügen, um in dem Innenraum des Hohlkörpers verbleibende Wasser- oder organische Dämpfe zu absorbieren.It may be useful to use the rock wool zeolite add grains up to 10% by weight, to prevent water remaining in the interior of the hollow body or absorb organic vapors.
Fig. 2 zeigt eine Variante des Hohlkörpers 1 aus Fig. 1, bei der die beiden Hauptseiten des Hohlkörpers nicht exakt parallel verlaufen. Während die untere Hauptsei te 10 des Hohlkörpers eben ist, wurde für die gegenüberlie gende obere Hauptseite 11 eine wellenförmige Strukturierung gewählt, die zusammen mit einer auf diese Struktur aufgeleg ten ebenen Abdeckung 12 Kanäle 13 definiert, durch die ein Wärmeträgerfluid ähnlich wie durch die Kanäle 4 in Fig. 1 geschickt werden kann. Die gewellte Form der Hauptseite 11 des Hohlkörpers hat außerdem die Aufgabe einer Kompensation von Längenveränderungen zwischen der Hauptseite 11 und der Platte 12 bei unterschiedlichen Temperaturen. Der Hohlkörper aus Fig. 2 kann auch wannenförmig gestaltet sein und dann in einem Sonnenkollektor nach Art der Fig. 1 Verwendung finden. Er kann aber auch als Wärmedämmung für die Rückseite einer Fußbodenheizung oder ganz allgemein einer Heizung ei ner Wand 12 dienen, d. h. daß das Wärmeträgerfluid in diesem Fall Wärme zuführen und nicht abführen muß. Der Randstreifen 14 ist wie in Fig. 1 wieder aus einem Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit. FIG. 2 shows a variant of the hollow body 1 from FIG. 1, in which the two main sides of the hollow body do not run exactly parallel. While the lower main side 10 of the hollow body is flat, a wave-shaped structuring was selected for the opposite upper main side 11 , which, together with a flat cover placed on this structure, defines 12 channels 13 through which a heat transfer fluid similar to that through channels 4 can be sent in Fig. 1. The corrugated shape of the main side 11 of the hollow body also has the task of compensating for changes in length between the main side 11 and the plate 12 at different temperatures. The hollow body from FIG. 2 can also be trough-shaped and can then be used in a solar collector in the manner of FIG. 1. But it can also serve as thermal insulation for the back of a floor heating or more generally a heating egg ner wall 12 , that is, the heat transfer fluid must supply heat and not dissipate in this case. As in FIG. 1, the edge strip 14 is again made of a material with very low thermal conductivity.
Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Aus schnitt aus einem Hohlkörper gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 mit einer unteren Hauptseite 15, einer oberen Hauptseite 16, mit einem Stützkörper 17 zwischen den beiden Seiten und mit einer abnehmbaren Vorrichtung 18, die dicht auf eine Pump öffnung 25 in der oberen Hauptseite 16 des Hohlkörpers auf gesetzt ist. Die Vorrichtung ist über Ventile 19, 20, 21, 22 an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe bzw. an einen Quelle für extrem trockene Luft oder ein anderes Gas wie Stick stoff, bzw. an eine Quelle für ein Edelgas wie Xenon oder Argon angeschlossen. Das Vakuum im Stützkörper bzw. in der Vorrichtung 18 wird durch ein Vakuummeßgerät 23 während der Evakuierungsphase laufend überwacht. Fig. 3 shows an enlarged section of a section from a hollow body according to FIG. 1 or Fig. 2 with a lower main side 15 , an upper main side 16 , with a support body 17 between the two sides and with a removable device 18 which is tight a pump opening 25 in the upper main side 16 of the hollow body is placed on. The device is connected via valves 19 , 20 , 21 , 22 to a vacuum pump (not shown) or to a source for extremely dry air or another gas such as nitrogen, or to a source for an inert gas such as xenon or argon. The vacuum in the support body or in the device 18 is continuously monitored by a vacuum measuring device 23 during the evacuation phase.
Die Evakuierung erfolgt nicht, wie in klassischen Verfahren, in einem Zug, sondern durch abwechselnd zykli sches Pumpen und Einspeisen von trockener Luft oder Stick stoff, wobei diese Zyklen solange wiederholt werden, bis dauerhaft der gewünschte Druck erreicht wird.The evacuation does not take place, as in classic ones Process in one go, but by alternating cyclicals Pumping and feeding in dry air or stick substance, these cycles being repeated until the desired pressure is permanently reached.
Um die zur Entgasung und Trocknung notwendige Energie in den Stützkörper 17 einzubringen, wird eine Plasmaentla dung im Stützkörper hervorgerufen. Sind die beiden Hauptsei ten 15 und 16 aus Metall, während die Randstreifen (in Fig. 3 nicht sichtbar) isolierend sind, kann das Plasma durch Anlegen von entsprechenden Potentialen an diese Seiten er zeugt werden. Ansonsten kann das Plasma über elektrische Durchführungen oder induktiv eingekoppelt werden.In order to introduce the energy required for degassing and drying into the support body 17 , a plasma discharge is caused in the support body. If the two main sides 15 and 16 are made of metal, while the edge strips (not visible in FIG. 3) are insulating, the plasma can be generated by applying corresponding potentials to these sides. Otherwise, the plasma can be coupled in via electrical feedthroughs or inductively.
Nach dem letzten Entgasungszyklus kann man eine be stimmte Menge Edelgas, z. B. Xenon, in den Stützkörper ein lassen (bis zu einem Druck von etwa 7 mbar), um die Wärme konvektion weiter zu verringern.After the last degassing cycle you can be a correct amount of noble gas, e.g. B. Xenon, in the support body leave (up to a pressure of about 7 mbar) to the heat to further reduce convection.
Danach wird die Pumpöffnung 26 mit einer diffusions dichten Folie 24 verklebt, die bereits in der Vakuumkammer der Vorrichtung 18 bereitgehalten wird und durch einen heiz baren Stempel 25 auf die Öffnung 26 gedrückt wird. Then the pump opening 26 is glued to a diffusion-tight film 24 , which is already held in the vacuum chamber of the device 18 and is pressed onto the opening 26 by a heatable stamp 25 .
Die Erfindung ist nicht auf Sonnenkollektoren oder Wandheizungen beschränkt, sondern generell anwendbar, wenn eine hohe Wärmedämmung auf kleinstem Raum gefordert wird. Dies gilt beispielsweise für Wärmespeicher, insbesondere Solarwärmespeicher, bei denen im Sommer die Wärme für die Winterheizung geladen wird. Der erfindungsgemäße Hohlkörper kann auch als sogenannte Isoplatte im Haushalt oder im Labor und zur Wärmedämmung von Heizschränken, Gefrieranlagen, Va kuumtrockenanlagen, Kühlboxen, Kühlhäusern usw. eingesetzt werden.The invention is not on solar panels or Wall heaters limited, but generally applicable when high thermal insulation in the smallest space is required. This applies, for example, to heat stores, in particular Solar heat storage, where the heat for the summer Winter heating is loaded. The hollow body according to the invention can also be used as a so-called isoplate in the home or in the laboratory and for thermal insulation of heating cabinets, freezers, Va vacuum drying systems, cool boxes, cold stores etc. are used will.
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