DE3417162A1

DE3417162A1 - Verfahren und waermeleitungselement zur erhoehung der waermeleitfaehigkeit von thermisch schlecht leitenden massen

Info

Publication number: DE3417162A1
Application number: DE19843417162
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof. Dr. 3220 Alfeld Knappwost
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-09
Filing date: 1984-05-09
Publication date: 1985-11-14

Description

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER . . Prof.. Dr. *nappwost -^- : :

Beschreibung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der mittleren Wärmeleitfähigkeit von thermisch schlecht leitenden Massen durch Einbetten von in Richtung des angestrebten Wärmeflusses von der Wärmeeintrittsoberfläche zur Wärmeaustrittsoberfläche der Masse verlaufende Wärmebrücken bildenden Wärmeleitungselementen aus einem thermisch besser leitenden Material und dafür geeignete Wärmeleitungselemente.

Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Betons mit einem λ-Wert von etwa 1,4 W/m°K ist für manche Anwendungszwecke des Betons von Nachteil. Insbesondere bei Flächen-Klimatisierungseinrichtungen, wie Fußbodenheizungen oder Flächenklimaanlagen, bei denen die Wärme zu- oder abführenden Einrichtungen in den Beton oder das Estrichmaterial eingebettet sind, muß die auf den Raum zu übertragende Wärme bzw. Kälte zunächst die mehrere cm dicke Betonoder Estrichschicht durchdringen, was wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien häufig Stunden dauert. Damit zeigen solche Flächen-Klimatisierungseinrichtungen wegen ihres langsamen Ansprechens nur ein äußerst unbefriedigendes Regelverhalten. Darüber hinaus erfolgt ein merklicher Wärmefluß in eine unerwünschte Richtung und führt damit zu nicht zu vernachlässigenden Energieverlusten. Es besteht daher ein Bedürfnis dafür, die Wärmeleitfähigkeit solcher thermisch schlecht leitenden Massen in einfacher Weise verbessern zu können.

Überraschenderweise führt die Zumischung eines sehr guten War- · meleiters von beispielsweise Metallspänen oder Graphit zu Beton oder Estrich zu keiner Lösung des Problems. So sind die Wärmeleitfähigkeitswerte von Mischungen aus einem thermisch schlecht leitenden Material und darin ein-

TER MEER . MÜLLER · STEINMEISTER "■ . ." _Pxof . Q₁ . Knappwost

gebetteten Körnchen aus einem thermisch besser leitenden Material keinesfalls additiv, sondern es ergeben sich erst bei sehr hohen Anteilen des körnigen Materials mit" besserer Wärmeleitfähigkeit merkliche Effekte. So werden bei einem Graphitgehalt von 50 Gew.-% in Beton nur 6,1 % der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Graphits erreicht. Abgesehen von den hohen Kosten einer solchen Mischung sinkt bei einem derart hohen Anteil von Graphit auch die Druck- und Zugfestigkeit des in dieser Weise in seiner Wärmeleitfähigkeit verbesserten Betons auf nicht mehr zulässige Werte.

Aus der DE-OS 32 11 970 ist es bereits bekannt, daß man die Wärmeleitfähigkeit von Abdeckplatten für Flächenheizungen aus einer dämmenden Trägerplatte aus Materialien mit niedriger Temperaturleitzahl, wie Holz, Span- oder Fasermaterial, Gips, Kunststoff oder Schaummaterial, dadurch verbessern kann, daß man in der Abdeckplatte durchgehende Wärmeleitungselemente anordnet, die eine höhere Wärme- und Temperaturleitzahl als das Trägerplattenmaterial aufweisen und die in der Trägerplatte von einer Plattonseite zur anderen Plattenseite führende Wärmebrücken bilden. In dieser Weise werden Abdeckplatten für Flächenheizungen erhalten, die ein besseres Regelverhalten aufweisen als die herkömmlichen Abdeckplatten und die auch erhebliche Energieeinsparungen ermöglichen sollen. Die nach diesem Stand der Technik verwendeten Wärmeleitungselemente bestehen jedoch aus keramischen Werkstoffen oder Zementmassen auf der Basis von Magnesium- oder Aluminiumoxid. Diese Stoffe haben eine noch nicht einmal um den Faktor 2 größere Wärmeleitfähigkeit als Beton. Sie sind deshalb zur stärkeren Anhebung der mittleren Wärmeleitfähigkeit z. B. von Beton ungeeignet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren der eingangs angegebenen Gattung dahin-

TER meer · Müller . Steinmeister . . ' Prof. Dr. Kn-aopwost

gehend zu verbessern, daß auf einfache und kostengünstige Weise die mittlere Wärmeleitfähigkeit von thermisch schlecht leitenden Massen aus beispielsweise Beton, Estrich, Putz, Gips und dergleichen, die insbesondere als Baumaterialien für Flächenklimatisierungseinrichtungen, sogenannte Energiedächer und dergleichen, eingesetzt werden, entscheidend, z. B. um einen Faktor > 5 bis 30, anzuheben durch nur wenige Wärmeleitungselemente pro Quadratmeter.

Es hat sich nunmehr gezeigt, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß man in diese thermisch schlecht leitenden Massen Wärmeleitungselemente aus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen auf Elektronenleitung beruht, einbettet.

Gegenstand der Erfindung ist daher das Verfahren gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes sowie für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Wärmeleitungselemente.

Einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zufolge bestehen die in die thermisch schlecht leitende Masse eingebetteten Wärmeleitungselemente aus Graphit, Metall und/ oder thermisch leitendem Kunststoff mit Elektronenleitung und noch bevorzugter aus texturiertem Graphit, d. h. Graphit, bei dem die Graphitplättchen weitgehend parallel zueinander verlaufen, und sind derart in die Masse eingebettet, daß die Flächennormalen dieser Graphitplättchen senkrecht zur Richtung des angestrebten Wärmeflusses verlaufen. In dieser Weise läßt sich eine überraschend starke Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der thermisch schlecht leitenden Masse, in der diese Wärmeleitungselemente eingebettet sind, erreichen.

TER MEER · MÜLLER . STEINMEISTER ; ; "I PrQf. ;Dr; Enappwost

Wenn man beispielsweise nur neun Wärmeleitungselemente mit einer Querschnittsfläche von je 50 cm² gleichmäßig verteilt in 1 m² Beton-Estrich einbettet, was einem Graphitgehalt von lediglich etwa 5,0 Gew.-% entspricht, so wird die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Betons um etwa den Faktor 7,52 erhöht. Bei dieser quasi-isotropen Anordnung der Graphitkristalle im Graphit ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit dieser Wärmeleitungselemente aus Graphit von λ = 205 W/m°K. Wenn man den Graphit texturiert, d. h.

ihn so behandelt, daß die Graphitplättchen parallel zueinander verlaufen, was beispielsweise durch Verpressen der Graphitkörper aus Graphitpulver mit oder ohne Bindemittel unter der Einwirkung eines Drucks von etwa 5000 N/ cm² erreicht werden kann, so ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Preßrichtung von λ = 300 W/m°K. Wenn man nun nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung neun Wärmeleitungselemente aus in dieser Weise texturiertem Graphit mit einem Querschnitt von jeweils 50 cm² in 1 m² Beton-Estrich einbettet, so ergibt sich eine Erhöhung der mittleren Wärmeleitfähigkeit des Beton-Estrichs um einen Faktor von 10,6. Der dann erhaltene Wärmeleitfähigkeitswert entspricht der Wärmeleitfähigkeit von rostfreiem Stahl. In dieser Weise wird es daher möglich, die Wärmeleitfähigkeit des Betons ohne wesentliche Beeinträchtigung seiner bauphysikalischen Eigenschaften in einfacher Weise und in überraschend starkem Ausmaß zu verbessern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorgefertigte Wärmeleitungselemente aus beispielsweise durch Verpressen von Graphitpulver mit oder ohne Bindemittel erzeugtem texturierten^ Graphit, aus einem Metall, wie Aluminium oder Magnesium oder Legierungen auf Al- oder Mg-Basis, Eisen, Stahl oder rostfreiem Stahl oder auch aus elektronisch leitendem Kunststoff in die thermisch schlecht leitende Masse eingebettet. Zur Verhinderung der möglichen Korrosion können beispielsweise die metallischen Wärmeleitungselemente mit Kunststoffmaterialien,

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Frof . Dr. Knaopwost

Lacken oder dergleichen, beschichtet werden, um eine Korrosion der Metalle insbesondere während des Eingießens und des Abbindens der thermisch schlecht leitenden Masse, wie des Betons oder des Estrichs, zu verhindern. 5

Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zufolge werden die Wärmeleitungselemente aus texturiertem Graphit dadurch in die thermisch schlecht leitende Masse eingebettet, daß diese zunächst unter Freilassung von den zu erzeugenden Wärmebrücken entsprechenden Kanälen vergossen und ausgehärtet wird, wonach eine plastische Masse aus Graphitpulver und einem Bindemittel, wie beispielsweise Wasserglas oder Magnesiumoxid-Phosphorsäure, in diese Kanüle eingebracht und durch Rotieren texturiert wird. Beim Gelieren des Bindemittels noch während des Einrotierens bleiben die Graphitplättchen festgelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut geeignet zur Erhöhung der mittleren Wärmeleitfähigkeit von thermisch schlecht leitenden Massen, die für Flächenklimatisierungseinrichtungen/ wie Fußbodenheizungen, Energiespardächer, flächige Klimaanlagen und dergleichen, verwendet werden, wobei in diesem Falle die Wärmeleitungselemente in direktem Kontakt mit den Wärme zu- oder abführenden Einrichtungen in die thermisch schlecht leitende Masse aus Beton, Estrich, Gips, Putz oder dergleichen, eingebettet werden, und zwar so, daß sich die gewünschten Wärmebrücken von den Wärme zu- oder abführenden Einrichtungen zu dem zu klimatisierenden Raum ergeben. Die Oberfläche der in dieser Weise erzeugten Flächenklimatisierungseinrichtungen bzw. Fußbodenheizungen oder Energiespardecken, in denen die erfindungsgemäß eingebetteten Wärmeleitungselemente flächenbündig angeordnet sind, können dann in beliebiger Weise mit einem dünnen, vorzugsweise thermisch gut leitenden Überzug oder Anstrich versehen oder mit üblichen Abdeckmaterialien be-

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Prof. Dr. Knappwost

deckt werden.

Da die von einer Wärmequelle/ z. B. den Heißwasserrohren einer Fußbodenheizung, nach oben und nach unten gehenden Wärmeströme sich wie die Wärmeleitwerte verhalten - bei bisherigen Fußbodenheizungen ist dieses Verhältnis etwa 5:1- kann durch diese Bestückung des Estrichs mit Wärmeleitungselementen das Verhältnis auf > 50 : 1 gebracht werden. Der Anteil des unerwünschten Wärmestroms nach unten - oft zur Kellerdecke - beträgt daher nicht etwa 20 %, sondern weniger als 2 %. Dies bedeutet nicht nur eine entsprechende Energieersparnis, sondern auch die Vermeidung einer unerwünscht hohen Kellertemperatur.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Wärmeleitungselemente zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie aus texturiertem Graphit bestehen, wobei sie vorzugsweise in Abhängigkeit von der Anordnung auf den Wärme zu- oder abführenden Einrichtungen, wie Heißwasser, Dampf, Heißluft oder dergleichen führenden Rohren oder auch elektrisch geheizten Bändern oder Folien so angeordnet werden können, daß die Flächennormalen der Graphitplättchen des texturierten Graphits senkrecht zur Richtung des angestrebten Wärmeflusses verlaufen.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Auf die Rohre oder Schläuche einer Fußbodenheizung werden pro m² neun quaderförmige Wärmeleitungselemente aus durch Pressen unter einem Druck von 5000 N/cm² texturiertem Graphit gesetzt. Die Wärmeleitungselemente besitzen eine Länge von 10 cm, eine Breite von 5 cm und eine Höhe von 5 cm. In der Unterseite der Wärmeleitungselemente

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Prcf . Dr.

ist eine rinnenförmige breite Nut mit halbkreisförmigem Querschnitt ausgespart, wobei die Breite der Nut dem Außendurchmesser der Rohre oder Schläuche der Fußbodenheizung entspricht, um einen guten Wärmeübergang von dem Schlauch auf die Wärmeleitungselemente zu bewirken. Die Wärmeleitungselemente werden mit Hilfe eines Klebers auf den Rohren oder Schläuchen befestigt. Anschließend wird der Estrich flächenbündig mit der Oberfläche der Wärmeleitungselemente auf die Anordnung, aus den Wärmeleitungselementen und den Rohren oder Schläuchen der Fußbodenheizung vergossen.

Beispiel 2

Durch Einbau von Pappröhren oder Schaumstoffkörpern spart man in dem über die Rohre oder Schläuche einer Fußbodenheizung vergossenen Estrich kreisförmige Kanäle mit einem Durchmesser von 8 cm aus. In die freigelassenen Kanäle wird eine breiige Paste aus Graphit mit 0,5 % Oxalsäure und Wasserglas als Bindemittel mittels eines in eine Bohrmaschine eingespannten Stabs oder Bohrers einrotiert. Durch den Oxalsäuregehalt des Graphits geliert das Wasserglas während des Einrotierens. Nach dem Erhärten durch Trocknen kann der Estrich beispielsweise durch keramische Platten oder Marmor abgedeckt werden.

Beispiel 3

Man verwendet Wärmeleitungselemente aus Aluminium, die die gleiche Größe und Form wie die Wärmeleitungselemente von Beispiel 1 besitzen. Zur Verhinderung der Korrosion des Aluminiums insbesondere während des Eingießens und Abbindens des Estrichs werden die Wärmeleitungselemente mit einem alkaliresistenten Lack, beispielsweise PoIyesterlack, überzogen. Dann werden die gemäß Beispiel 1 angeordneten Wärmeleitungselemente aus Aluminium in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise mit dem Estrich vergossen.

Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Μθθγ Dipl.-lng. H. Steinmeister I Artur-Ladebeck-Strasse « D-800O MÖNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1 tM/cb 09. Mai 1984 Prof. Dr. Adolf Knappwost Am Pfarrgarten 3 D - 3220 Alfeld Verfahren und Wärmeleitungselement zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von thermisch schlecht leitenden Massen Patentansprüche

1. Verfahren zur Erhöhung der mittleren Wärmeleitfähigkeit von thermisch schlecht leitenden Massen durch
Einbetten von in Richtung des angestrebten Wärmeflusses von der Wärmeeintrittsoberfläche zur Wärmeaustrittsoberfläche der Masse verlaufende,Wärmebrücken bildenden Wärmeleitungselementen aus einem thermisch besser leitenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeleitungselemente aus einem Material,
dessen Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen auf Elektronenleitung beruht, in die Masse eingebettet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Wärmeleitungselemente aus

TER MEER - MÜLLER ■ STEINMEISTER .' . Prof Dr. Knappwost3 417162

Graphit, Metall und/oder thermisch leitendem Kunststoff mit Elektronenleitung in die Masse eingebettet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadur.ch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitungselemente aus texturiertem Graphit bestehen und so in die Masse eingebettet werden, daß die Flächennormalen der Graphitplättchen senkrecht zur Richtung des angestrebten Wärmerlusses verlaufen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß vorgefertigte Wärmeleitungselemente aus durch Verpressen von Graphitpulver erzeugtem texturierten! Graphit in die Masse eingebettet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeleitungselemente aus texturierten! Graphit durch Einbringen einer Paste aus Graphitpulver und einem Bindemittel in den zu erzeugenden Wärmebrücken entsprechende Kanäle, Texturieren des Graphits durch Rotieren der plastischen Masse und Erhärten des Bindemittels in die Masse eingebettet werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, d a -

durch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitungselemente in Kontakt mit Wärme zu- oder abführenden Einrichtungen in eine thermisch schlecht leitende Masse aus Beton, Estrich, Gips oder Putz zur Erzeugung einer Flächenklimatisierungseinrichtung mit verbessertem Regelverhalten eingebettet werden.

7. Wärmeleitungselement zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß es aus einem Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen auf Elektronenleitung beruht.

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8. Wärmeleitungselement zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß es aus texturxertem Graphit besteht.