DE4319763C2 - Evakuiertes, lichtundurchlässiges Mehrscheiben-Isolations-Paneel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein evakuiertes, lichtundurchlässiges Mehrscheiben-Isolations- Paneel (im folgenden als Paneel beschrieben), das aus mehreren Glasscheiben und einem Randverbund besteht und bei welchem ein oder mehrere Scheibenzwischenräume mit thermisch hochdämmendem Pulver gefüllt sind.

In einer Veröffentlichung (J. Fricke, "Aerogele - eine faszinierende Klasse hochporöser Materialien", Umschau [1986] 7) wird die Idee zu einem hochisolierenden Fenster genannt. Ein Doppelglasfenster mit einer Randversiegelung wurde mit lichtdurchlässigem Aerogelgranulat gefüllt und evakuiert. Das extrem leichte Aerogelmaterial hat eine Dichte zwischen 50 kg/m³ und 300 kg/m³. Wegen der Durchlässigkeit dieses Fenstersystems für Infrarotstrahlung und auch wegen der Verwendung von Aerogelgranulat ist jedoch eine optimale Wärmeisolation mit besonders geringen Wärmeleitfähigkeiten nicht zu realisieren.

In der DE 39 27 538 A wird ein "Sandwichbauelement zur thermischen Isolation", das mit Aerogelgranulat mit Korndurchmessern zwischen 1 mm und 6 mm gefüllt ist. Die Außenflächen werden aus Holz, Blech oder Kunststoff gebildet. Die Gasdichtigkeit der Hülle bei Evakuierung ist hier nicht immer gegeben. Auch dieses System genügt somit nicht den Anforderungen an ein hochisolierendes, wetterbeständiges Bauelement.

Die EP 0 396 076 A beschreibt ein mögliches Verfahren zur Infrarottrübung von Kieselsäureaerogelen durch verschiedene Pigmentstoffe. Die Behinderung von Wärmestrahlung durch das Isolationsmaterial ermöglicht eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit.

Es stand zur Aufgabe, ein Wärmeisolationspaneel zu finden, dessen Wärmeleitfähigkeit unter 10 mW/m · K liegen kann und dessen Lebensdauer und Handhabbarkeit einen Einsatz im Baubereich ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Scheibenzwischenräume mit mikroporösem oder nanoporösem, infrarotgetrübtem, hochdämmendem Pulver gefüllt sind, dessen Partikelgrößen unterhalb 0,5 mm liegen und daß die Scheibenzwischenräume evakuiert sind.

Besonders geeignet erscheint infrarotgetrübtes Siliziumdioxid-Aerogel, das eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Festkörperdichte des Aerogels ist im Bereich von 50 kg/m³ bis 500 kg/m³. Die Korngrößen liegen vorzugsweise zwischen 1 µm und 100 µm. Als Infrarottrübungsmittel ist Ruß sehr vorteilhaft. Der Rußanteil im Pulver kann bis zu 50% betragen, vorzugsweise um die 10%. Weitere Pulver, wie z. B. Kieselgur, Perlit, Fällungskieselsäure oder pyrogene Kieselsäure sind anwendbar.

Für den Randverbund der Scheiben können bekannte Verarbeitungstechniken verwendet werden, die es erlauben, daß der Randverbund einen hinreichenden Luftabschluß und eine hinreichende Vakuumdichtigkeit des mit Pulver gefüllten Scheibenzwischenraums zur Atmosphäre hin gewährleistet. Vorzugsweise kommen Abstandshalter zum Einsatz, die mit den Scheiben durch eine Dichtung aus vorzugsweise Isobutyl oder einem ähnlichen Material verbunden ist. Zusätzlich ist dieser Randverbund nach außen hin mit einer geeigneten Dichtungsmasse, beispielsweise einer Polysulfiddichtung, abzuschließen. Um eine geringe Wärmeleitfähigkeit des Paneels zu erreichen, darf der Druck im Isolationsraum nach der Evakuierung des getrockneten Pulvers 100 mbar nicht übersteigen, vorzugsweise soll er kleiner als 10 mbar sein.

Um Wärmebrücken an den Randgebieten des Paneels - vor allem bei kleineren Scheiben - zu vermeiden, wird gegebenenfalls das Paneels am Rand thermisch isoliert. Ein isolierender Rahmen (ähnlich einem herkömmlichen Fensterrahmen) umschließt den Rand des Paneels. Dieser Rahmen ist hohl und mit einem thermischen Isolationsmaterial gefüllt, gegebenenfalls mit einem hochdämmenden Pulver, oder er besteht vollständig aus einem Isolationsmaterial.

Die hervorragende Dämmwirkung des infrarotgetrübten Aerogelpulvers beruht darauf, daß die drei Komponenten der Gesamtwärmeleitung - Festkörperwärmeleitung, Gaswärmeleitung und Strahlungswärmeleitung - äußerst reduziert sind:

• a) Die Festkörperwärmeleitung des Aerogelmaterials ist wegen der nanoporösen Struktur des Siliziumdioxid-Gerüsts gering. In der Pulverschüttung reduziert sich die Festkörperwärmeleitfähigkeit durch die Ausbildung vieler Punktkontakt- Wärmewiderstände auf 0,002 bis 0,003 W/m · K (bei ca. 1 bar externem Belastungsdruck).
• b) Die hohe Dämmwirkung des Aerogels in Luft beruht darauf, daß wegen der kleinen Porenweiten im Bereich von etwa 1 nm bis 100 nm kaum noch Stöße der Luftmoleküle untereinander erfolgen, sondern bevorzugt Luft-Wand-Stöße. Die Gaswärmeleitung ist also entscheidend herabgesetzt. In einer Pulverschüttung findet die Gaswärmeleitung hauptsächlich in den Kornzwischenräumen statt. Diese Zwischenräume müssen genügend klein sein, um die Gaswärmeleitung zu behindern. Dies ist der Fall bei Korngrößen kleiner 100 µm. Bei nanoporösen Aerogelpulvern ist durch eine Evakuierung unter 1 mbar die Gaswärmeleitung praktisch vollständig unterdrückt. Es ist eine Wärmeleitung unter 0,005 W/m · K zu erreichen.
• c) Die dritte Komponente der Wärmeleitung ist die Strahlungswärmeleitung. Diese Strahlungswärme (Infrarotstrahlung) nimmt mit steigender Temperatur zu. Reine Aerogele sind für Infrarotstrahlung für Wellenlängen unter 8 µm durchlässig. Die Aerogelpulver sind also mit Infrarottrübungsmitteln zu vermischen, welche die Infrarotstrahlung in dem entsprechenden Bereich streuen, absorbieren oder reflektieren. Damit wird die isolierende Schicht für diese Strahlung undurchlässig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Zweischeiben-Isolierglas und

Fig. 2 die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit des Gasdruckes.

Ein Zweischeiben-Isolierglas (siehe Fig. 1) mit einem Scheibenabstand von 25 mm wird mit einem rußgetrübten Aerogelpulver gefüllt (2). Die Scheiben (1) sind mit einem Randverbund (3) verklebt. Die Partikelgrößen des Aerogelpulvers liegen zwischen 1 µm und 100 µm. Der Massenanteil des Rußes im Pulver ist 10%. Durch Evakuierung wird der Gasdruck in der Pulverschüttung auf 1 mbar gesenkt. Mit einer Dichte von 152 kg/m³ hält die Pulverschüttung der Belastung des Luftdrucks auf den Scheiben stand. Die gemessene Gesamtwärmeleitfähigkeit des Paneels ist 0,006 W/m · K.

Anhand der Grafik (Fig. 2) läßt sich folgendes erkennen: Ein infrarotgetrübtes Aerogelpulver und ein infrarotgetrübtes Aerogelgranulat zeigen bei normalem Luftdruck (1013 mbar) Wärmeleitfähigkeiten um 0,02 W/m. Wird das Pulver evakuiert, so unterschreitet es schon bei einem Druck von etwa 1 mbar die Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,005 W/m · K; das Granulat weist aber hier noch eine Leitfähigkeit von etwa 0,014 W/m · K auf, also etwa das dreifache. Selbst bei einer Evakuierung des Systems auf 0,01 mbar zeigen Granulatschüttungen deutlich höhere Leitfähigkeiten als Pulver. Durch die Verwendung von Pulvern kleiner Korngrößen wird also eine wesentliche Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften erreicht.

Der besondere Wert der Erfindung ist dadurch gegeben, daß alle für Isolationsfenster bisher verwendeten Techniken, sowohl der Herstellung, des Transports und auch des Einbaus in konventionelle Fenster- und Fassadensysteme möglich sind. Die wetterbeständigen Paneele können als Bauelemente in Wände oder Fassaden integriert werden. Ebenfalls können sie zum Bau von Kühl- oder Klimakammern, sowie Wärmespeichern eingesetzt werden. Ein Paneel von 30 mm Stärke ersetzt in seiner thermischen Isolierwirkung eine zur Wärmedämmung übliche Leichtbaumauer von etwa 40 cm Dicke. Um architektonische Anforderungen zu genügen, können die inneren oder äußeren Glasoberflächen mit einer beliebigen Beschichtung versehen sein, gegebenenfalls mit Lack, Folie oder einer reflektierenden oder lichtstreuenden Schicht.

Claims (5)

1. Evakuiertes, lichtundurchlässiges Mehrscheiben-Isolierglas-Paneel zur Wärmedämmung, bestehend aus mehreren Glasscheiben und einem Randverbund, gekennzeichnet dadurch, daß ein oder mehrere Scheibenzwischenräume mit mikroporösem und/oder nanoporösem, infrarotgetrübtem, hochdämmendem Pulver gefüllt sind, dessen Partikelgrößen unterhalb 0,5 mm liegen.

2. Paneel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als hochdämmendes Pulver Aerogelpulver eingesetzt wird.

3. Paneel nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das hochdämmende Pulver einen Korngrößenbereich von 1 µm bis 100 µm aufweist.

4. Paneel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Innendruck des Mehrscheiben-Isolierglas-Paneels kleiner 10 mbar ist.

5. Paneel nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Rand des Paneels zusätzlich von einem isolierenden Rahmen umschlossen ist.