DE19800777A1 - Transparente Wärmedämm-Struktur und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Transparente Wärmedämm-Struktur und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft eine transparente Wärmedämm- Struktur, bei dem absorbersenkrechte Strukturen ein­ gesetzt werden sollen und ein Verfahren zu deren Her­ stellung.
Transparente Wärmedämm-Materialien werden in Fassa­ denbekleidungen und Solaranlagen eingesetzt. Im Falle von Fassadenbekleidungen spricht man von transparen­ ten Wärmedämmsystemen. Dabei können solche Wärmedämm­ systeme äquivalent wie vorgehängte Fassadenverklei­ dungen direkt an Gebäudeaußenwänden angeordnet wer­ den.
Bei Solaranlagen kommt es für den Wirkungsgrad ent­ scheidend darauf an, daß zum einen der verwendete Solarkollektor ein hohes Absorptionsvermögen des Ab­ sorberbauteils aufweist und außerdem das Dämmvermögen der vor dem Absorber angeordneten transluzenten Flä­ che groß ist. Wärmeverluste treten durch Konvektion und Wärmestrahlung auf.
Für die normale Wärmedämmung stehen bereits seit lan­ gem Dämmstoffe mit ausreichendem Isolationsvermögen zur Verfügung, die jedoch für alle Lichtwellen un­ durchlässig sind. Sie können demzufolge in Verbindung mit Solaranlagen zur Verbesserung des Dämmvermögens der transluzenten Abdeckung nicht verwendet werden. Wegen der relativ hohen Wärmeverluste ist aber die transparente den Solarkollektor schützende Abdeckung eine wesentliche Einflußgröße für den Wirkungsgrad. In jüngster Vergangenheit wurden jedoch verstärkt transparente Wärmedämmstoffe und diese wiederum nicht nur für dekorative Zwecke, sondern auch für den Ein­ satz in Verbindung mit Solarkollektoren entwickelt und eingesetzt, so daß sich dadurch das Dämmvermögen bei Solarkollektoren verbessern ließ und demzufolge auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades möglich war.
Solche transparenten Wärmedämmstoffe erreichen einen hohen Gesamtenergiedurchlaßgrad (g-Wert) für Solar­ strahlung und Wärmeleitfähigkeiten < 0,1 W/(mK).
Für die transparenten Wärmedämmsysteme wurde bisher auf vier Grundprinzipien zurückgegriffen. Ein solches sind die sogenannten absorberparallelen Strukturen, unter die auch Mehrscheibenverglasungen mit Oberflä­ chen-Beschichtungen niedriger Emissionen fallen. Da­ neben können solche Strukturen auch als Mehrfachsteg­ platten ausgebildet werden. Mit den absorberparalle­ len Strukturen kann die Anzahl an Konvektionswalzen in der Hauptwärmestromrichtung durch Unterteilung des Volumens in kleinere Teilvolumina erhöht werden und dadurch der konvektive Wärmeverlust verringert wer­ den. Die auf den Oberflächen aufgebrachten Beschich­ tungen für geringe Emission (low-e Beschichtung) än­ dern außerdem den Wärmetransport durch Wärmestrahlung bzw. Wärmeaustausch zwischen den einzelnen parallel zueinander angeordneten Scheiben oder Platten aus transparentem Material.
Ein anderes mögliches Prinzip besteht in der Verwen­ dung großvolumiger geschlossenporiger Strukturen, mit denen die Wärmedämmung durch Unterdrückung großvolu­ miger Konvektion und Wärmestrahlungsabsorption er­ reicht werden kann. Solche Strukturen können z. B. Acrylschaum sein.
Daneben können micro- bzw. nanoporöse Strukturen als Aerogele, Xerogele verwendet werden, die Hohlräume mit Mikro- bis Nanometerquerschnitt durch eine ultra­ leichte silikatische Matrix bilden. Der Wärmetrans­ port innerhalb dieser Strukturen erfolgt dabei nahezu ausschließlich durch Festkörperwärmeleitung in einer solchen Matrix. Das sehr gute Wärmedämmvermögen die­ ser Aerogele oder Xerogele wird durch den kleinen Massenanteil des Matrixgerüstes am Gesamtvolumen der Struktur erreicht.
Ein weiteres bekanntes Prinzip, das in der Wärmedämm­ technik eingesetzt wird, sind absorbersenkrechte Strukturen, bei denen verschiedenartig ausgebildete Kapillarstrukturen mit geeignetem Aspektverhältnis ausgebildet sind. Dabei ist unter Aspektverhältnis das Verhältnis von Länge zu Durchmesser bzw. freiem Querschnitt gemeint. Dadurch kann die Konvektion, die durch die Temperaturgradienten normalerweise inner­ halb der Struktur auftritt, behindert oder sogar vollständig unterdrückt werden. Materialspezifisch können solche Strukturen auch ein gewisses Maß an Wärmestrahlungsabsorption erreichen, so daß dadurch zusätzlich der Wärmeverlust eines in der Nähe einer solchen transparenten Wärmedämmung angeordneten Ab­ sorbers eines Solarkollektors reduziert wird. Die übrigen Wärmetransportmechanismen einer solchen Wär­ medämmung sind hierbei die Wärmeleitfähigkeit der ruhenden Luft, die bekanntermaßen relativ schlecht ist, die Festkörperwärmeleitung im strukturgebenden Material sowie die vorwärts gerichtete sekundäre und primäre Wärmestrahlung.
Solche absorbersenkrechten Strukturen werden übli­ cherweise aus thermoplastischen Kunststoffen oder Glas hergestellt.
Dabei werden üblicherweise extrudierte thermoplasti­ sche Kunststoffe verwendet und die so erhaltenen Halbzeuge, in Form von dünnwandigen Röhrchen können dann zu Platten aneinandergereiht werden oder Strei­ fen wabenförmiger oder rechteckiger Strukturen durch eindimensionales Aneinanderreihen zu Platten verar­ beitet werden.
Das Ablängen der Halbzeuge (Röhrchen) wird durch Schneiden mit einem Hitzdraht oder Sägen durchge­ führt. Werden diese Röhrchen mit einem Hitzdraht auf die erforderliche Länge gebracht, entstehen an ihren Enden Schmelzwülste und/oder es kommt zu einem Fäden­ ziehen längs der Schnittrichtung, so daß die so ent­ standenen Schnittkanten verschmiert sind und demzu­ folge auch die sichtbaren Plattenoberflächen eine unnötig große Rückstreuung der Sonnenstrahlung auf­ weisen. Dadurch wird selbstverständlich auch der g-Wert des Materials deutlich verschlechtert.
Bei gesägten Röhrchenstrukturen weisen diese eine bis zu zehnfach größere Wanddicke auf. Dadurch wird die Festkörperwärmeleitung entsprechend erhöht und demzu­ folge das Dämmvermögen reduziert. Außerdem lagert sich ggf. Sägestaub in/an der Struktur ab, der eine Verringerung der Transparenz durch zusätzliche Licht­ streuung hervorruft.
Ein wesentlicher Nachteil, der durch die Verwendung von Kunststoffen allgemein bei transparenten Wärme­ dämm-Materialien auftritt, ist ein zu hohes Wasser­ aufnahmevermögen der Kunststoffe. Das Wasseraufnahme­ vermögen ist temperaturabhängig. Bei niedrigen Tem­ peraturen bindet der Kunststoff mehr Feuchtigkeit als bei hohen Temperaturen. In den normalerweise ge­ schlossenen Systemen, wird die aufgenommene Feuchtig­ keit beim Erwärmen vom Kunststoff abgegeben und im Inneren vom Füllgas aufgenommen. Entsprechend dem Dampfdruckgefälle findet ein Feuchtetransport zur kälteren Oberfläche im Inneren statt. Dadurch kommt es an einer inneren Oberfläche häufig zur Taupunkt­ unterschreitung und somit zur Kondenswasserbildung. Da die kältere Oberfläche normalerweise die äußere sichtbare transparente Abdeckung des transparenten Wärmedämmsystemes ist, führt Kondenswasserbildung zu einem unerwünschten ästhetischen Mangel und verrin­ gert die Transparenz.
Wird Glas für absorbersenkrechte Strukturen verwen­ det, verfügen die daraus gebildeten Strukturen norma­ lerweise über vergleichbare optische Eigenschaften und ein vergleichbares Wärmedämmvermögen, wie Struk­ turen aus Kunststoff. Gegenüber dem Kunststoff können jedoch sehr saubere Schnittkanten beim Ablängen er­ halten werden. Da solche Glasröhrchen jedoch eine entsprechend größere Wanddicke erforderlich machen, weisen die Schnittflächen ebenfalls einen relativ hohen Oberflächenanteil auf, der zur Lichtstreuung bzw. Reflexion führt. Dadurch können g-Werte erreicht werden, die ebenfalls nur im größten Bereich für Kunststoffe liegen.
Da Glas im Gegensatz zu den bekannten Kunststoffen nicht hygroskopisch ist, treten die beschriebenen Probleme durch Wasseraufnahmevermögen bei diesem Ma­ terial nicht auf. Dafür muß aber die relativ hohe Masse in Kauf genommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine transparente Wär­ medämm-Struktur vorzuschlagen, bei der absorbersenk­ rechte Strukturen Verwendung finden und die insbeson­ dere bei Verwendung eines Kunststoffmaterials, das ein vernachlässigbar kleines Maß an Feuchteaufnahme­ vermögen aufweist und demzufolge die Probleme der Kondenswasserbildung bei Taupunktunterschreitungen vermieden werden können und ein solches System kostengünstig und einfach herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordneten An­ sprüchen genannten Merkmale.
Bei der erfindungsgemäßen transparenten Wärmedämm­ struktur, die als absorbersenkrechte Struktur ausge­ bildet ist, wird ein Kunststoff amorpher, transparen­ ter Copolymere auf der Basis Cykloolefine und Ethylen als Ausgangsmaterial verwendet.
Dieser Kunststoff soll einen Lichttransmissionsgrad oberhalb 90% (nach Prüfverfahren ASTM D 1003) und einen Brechungsindex im Bereich des Lichtes von 1,45 bis 1,6, bevorzugt von 1,53 aufweisen.
Die absorbersenkrechte Struktur und die anderen Teile des Systems können vorteilhaft aus einer Folie dieses Kunststoffes gebildet sein, wobei die Dicke der Folie < 1 mm, bevorzugt bei 0,03 mm liegt.
Da eine erfindungsgemäße transparente Wärmedämm­ struktur in der Regel hinter einer transparenten Ab­ deckung oder direkt der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, ist es günstig, dem erfindungsgemäß zu verwen­ denden Kunststoff UV-Stabilisatoren zuzugeben, so daß die UV-strahlungsbedingte Alterung zumindest behin­ dert wird.
Die bereits bezeichneten Kunststoff-Folien können zur Ausbildung der absorbersenkrechten Struktur wellen­ förmig oder V-förmig gefaltet werden. Zur Ausbildung einer großflächigen Platte, die für ein solches Sy­ stem verwendet werden kann, können wellenförmig oder V-förmig gefaltete Folien verwendet werden. Diese Folien können zu plattenförmigen Gebilden zusammen­ gefügt werden, indem mehrere entsprechend gefaltete Folien übereinander angeordnet werden, wobei die Dicke der erfindungsgemäßen transparenten Wärmedämm- Struktur bereits durch die Folienbreite vorgegeben wird. Die Verbindung dieser gefalteten Folien mitein­ ander kann günstig so erfolgen, daß jeweils Wellen­ berge oder Spitzen von Winkeln benachbarter gefalte­ ter Folien in direkter Berührung zueinander angeord­ net werden und bevorzugt durch Schweißen oder Verkle­ ben eine dauerhafte Verbindung hergestellt wird.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung eines solchen plattenförmigen Dämmsystems, besteht darin, alternie­ rend, wie bereits beschrieben, gefaltete Folien und ebene Folien anzuordnen und gegebenenfalls zu ver­ schweißen.
Ein so vorbereitetes plattenförmiges Gebilde kann dann ggf. an einer oder beiden Außenseiten mit ebenen Folien, aus dem gleichen erfindungsgemäß zu verwen­ denden Kunststoff, abgeschlossen werden, wobei hier ebenfalls die Verbindung dieser ebenen Folien mit der, wie beschrieben, vorbereiteten absorbersenkenden Struktur durch Kleben oder Verschweißen erfolgen kann.
Die durch die gefalteten Folien gebildeten Hohlräume können im einfachsten Fall mit Luft oder auch mit einem inerten oder gar Edelgas gefüllt werden.
Dabei kann es sich günstig auswirken, wenn das in den allseitig abgeschlossenen Hohlräumen enthaltene Gas unter einem Druck steht, der oberhalb des atmosphäri­ schen Druckes liegt. Dies kann dadurch erreicht wer­ den, daß zumindest während des Aufbringens der äuße­ ren ebenen Folien, die den hermetischen Abschluß be­ wirken, bei erhöhtem Druck und/oder erhöhten Tempera­ turen gearbeitet wird.
Die so hergestellte und aufgebaute transparente Wär­ medämm-Struktur kann mindestens eine Dicke von 40 mm, bevorzugt jedoch mindestens 100 mm aufweisen und kann dann zur Herstellung von transparenten Wärmedämm-Sy­ stemen, z. B. für die Wärmedämmung einer Gebäudeaußen­ wand oder zur Herstellung von Solarkollektoren einge­ setzt werden, so daß die gewünschten Effekte, und dabei insbesondere eine ausreichende Wärmedämmung von Gebäuden unter Ausnutzung von Solarstrahlung und bei Kollektoren erreicht wird.
Die erfindungsgemäße transparente Wärmedämm-Struktur vermeidet die Nachteile bei der Verwendung von Kunst­ stoffen und weist insbesondere ein sehr geringes Feuchteaufnahmeverhalten auf, wobei die anderen für ein solches Material wichtigen physikalischen und chemischen Eigenschaften erfüllt werden. Es lassen sich die g- und k-Werte verbessern. Der erfin­ dungsgemäß zu verwendende Kunststoff ist bei erhöhten Temperaturen beständig und garantiert auch bei kurz­ zeitigen Temperaturbelastungen in die Nähe der Glas­ übergangstemperatur seine Formbeständigkeit.
Außerdem wirken sich die Beständigkeit des erfin­ dungsgemäß zu verwendenden Kunststoffes gegenüber Säuren und Laugen vorteilhaft bei der Verwendung aus, so daß sich der saure in der Atmosphäre vorhandene Einfluß nicht nachteilig auswirkt und auch eine Rei­ nigung mit normalerweise basischen Reinigungsmitteln ohne weiteres möglich ist.
Der erfindungsgemäße Kunststoff weist außerdem aus­ reichend gute mechanische Eigenschaften und insbeson­ dere ausreichende Festigkeiten auf.
Durch die Verwendung von vorkonfektioniertem Folien­ material in einer Breite, die der Dicke der zu ferti­ genden Struktur entspricht, werden auch die Nachteile bezüglich Lichtstreuung, die auch bei den bekannten Systemen, die Kunststoffe verwenden, genannt worden sind, verhindert.
Durch die Materialeigenschaften und die geringe Dicke der zu verwendenden Folie wird eine Massereduzierung, eine einfache Fertigung in Verbindung mit guten ver­ besserten optischen und thermischen Eigenschaften möglich. Selbstverständlich ist auch der Materialein­ satz äußerst gering und das verwendete Kunststoffaus­ gangsmaterial wird optimal ausgenutzt, so daß auch hier in diesem Bezug die Kosten klein gehalten werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungs­ beispiel näher beschrieben werden.
Dabei zeigt die einzige Figur den prinzipiellen Auf­ bau eines Beispiels für eine erfindungsgemäße trans­ parente, absorbersenkrechte Wärmedämm-Struktur.
Als Grundmaterial zur Herstellung der Kunststoff-Fo­ lien werden amorphe, transparente Copolymere auf der Basis Cykloolefine und Ethylen verwendet, die unter der Bezeichnung Topas von der Firma Hoechst kommer­ ziell erhältlich sind.
Die Folien werden in einer Breite von z. B. 100 mm vorkonfektioniert und auf Rollen zur Verfügung ge­ stellt.
Die absorbersenkrechten Strukturen werden bei diesem Beispiel aus mehreren übereinander angeordneten Fo­ lien 1 und 2 gebildet. Dabei werden wellenförmig ge­ faltete Folien 1 und ebene Folien 2 alternierend übereinander angeordnet und die jeweils zu den ebenen Folien 2 weisenden Wellenberge der Folien 1 mit den ebenen Folien 2 in Berührung gebracht und können durch Verschweißen oder Verkleben dauerhaft mitein­ ander verbunden werden. Dabei müssen nicht alle Wel­ lenberge der Folien 1 dauerhaft verklebt oder ver­ schweißt werden.
In einer Alternative zu diesem Beispiel können jedoch ausschließlich wellenförmig gefaltete Folien 1 über­ einander angeordnet werden, wobei die Wellenberge zueinander weisen und somit die Wellentäler größere Hohlräume 3 bilden, als dies bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel der Fall ist. Die miteinander in Berührung stehenden Wellenberge der gewellten Folien 1 können dann, wie bereits beschrieben, zumindest teilweise dauerhaft miteinander verbunden werden.
Es ist außerdem eine Anordnung denkbar, bei der die eben erwähnten Beispiele miteinander kombiniert wer­ den und zwischen jeweils Paaren bei einer größeren Anzahl von wellenförmig gefalteten Folien 1 eine ebe­ ne Folie 2 als Zwischenfolie angeordnet wird.
Eine erfindungsgemäße Struktur kann dann ggf. auch als offene oder abgeschlossene Struktur, die Vorteile der bekannten und insbesondere der absorbersenkrech­ ten Strukturen, bei Vermeidung der Nachteile er­ reichen.

Claims (14)

1. Transparente Wärmedämm-Struktur, die als absor­ bersenkrechte Struktur ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Wärmedämm-Struktur aus ei­ nem Kunststoff, amorpher, transparenter Copoly­ mere auf der Basis Cykloolefine und Ethylen ge­ bildet ist.
2. Transparente Wärmedämm-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff einen Lichttransmissionsgrad < 90% und einen Bre­ chungsindex von 1,45 bis 1,6 aufweist.
3. Transparente Wärmedämm-Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die trans­ parente Wärmedämm-Struktur aus einer Folie des Kunststoffes mit einer Dicke < 1 mm gebildet ist.
4. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Kunststoff UV-Stabilisatoren enthalten sind.
5. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wellenförmig oder V-förmig gefaltete Folien (1) mit zwischenliegend angeordneten ebenen Folien (2) die transparente Wärmedämm-Struktur bilden.
6. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der absorbersenkrechten Struktur ebene und gefaltete Folien (1, 2) alternierend angeordnet sind.
7. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Wellenberge oder die Spitzen von Winkeln benach­ barter gefalteter Folien (1) in direkter Berüh­ rung miteinander angeordnet sind.
8. Transparente Wärmedämm-Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Paaren ge­ falteter Folien (1) ebene Folien (2) angeordnet sind.
9. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einer oder an beiden Stirnseiten ebene Folien die Struktur abschließen.
10. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Folien (1, 2) und die den stirnsei­ tigen Abschluß bildenden ebenen Folien an Berüh­ rungsflächen verklebt oder verschweißt sind.
11. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die gefalteten Folien (1) gebildeten Hohlräume (3) mit Luft oder einem inerten Gas gefüllt sind.
12. Transparente Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der transparenten Wärmedämm-Struktur mindestens 40 mm beträgt.
13. Verfahren zur Herstellung einer transparenten Wärmedämm-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die die absorbersenkrechte Struktur ausbil­ denden Folien (1, 2) in der Breite des Systems konfektioniert oder bereits vorkonfektionierte Folien, gefaltete und/oder gewellte und ebene Folien (1, 2) an den Wellenbergen oder Spitzen miteinander verklebt oder verschweißt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das System an einer oder beiden außen liegenden Seiten mit ebenen Folien verschweißt oder verklebt wird.
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