DE60101050T2 - Evakuierter mantel zur wärmedämmung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft evakuierte Mäntel zur Wärmeisolierung, insbesondere einen evakuierten Mantel, der eine verbesserte Hülle umfasst, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
• Evakuierte Mäntel werden zunehmend in einer Anzahl von Gebieten verwendet, auf welchen eine Wärmeisolierung bei Temperaturen von unter etwa 100°C erforderlich ist. Als Beispiele für die Verwendung dieser Mäntel sind Wände von Haushalt- und Industriekühlschränken, Getränkezapfanlagen oder Behältern für den isothermen Transport, beispielsweise von Medikamenten oder kalten bzw. gefrorenen Lebensmitteln, zu nennen. Weitere Verwendungen dieser Mäntel auf dem Gebiet des Bauwesens oder der Autoindustrie werden untersucht.
• Es ist bekannt, dass ein evakuierter Mantel von einer Hülle gebildet wird, die mit einem Füllmaterial versehen ist. Dabei hat die Hülle den Zweck, den Zutritt von Atmosphärengasen in den Mantel zu verhindern (oder so weit wie möglich zu behindern), sodass ein Vakuum aufrecht erhalten wird, das für den Grad der Wärmeisolierung geeignet ist, welchen die Verwendung erfordert. Das Füllmaterial hat hauptsächlich die Aufgabe, die zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Hülle voneinander zu beabstanden, nachdem der Mantel evakuiert worden ist, und muss eine poröse oder diskontinuierliche innere Struktur haben, sodass seine Poren oder Zwischenräume evakuiert werden können, um die Wärmeisolationsfunktion zu erfüllen. Dieses Material kann anorganisch, beispielsweise Siliciumdioxidpulver, Glasfasern, Aerogele und Diatomeenerde, oder organisch wie ein steifes Polyurethan bzw. ein steifer Polystyrolschaum, beides in Form von Tafeln und Pulver, sein.
• Die Hülle wird aus so genannten Sperrbögen hergestellt, die dadurch charakterisiert sind, dass ihre Gaspermeabilität so niedrig wie möglich ist, und welche aus einer einzigen Komponente hergestellt werden können, aber häufiger aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Komponenten bestehen. Bei den Mehrschichtfolien wird die Sperrwirkung von einer der Schichten bzw. der Sperrschicht verliehen, die aus polymeren Materialien wie Ethylen-Vinylalkohol-Copolymeren (aus der Literatur unter dem Akronym EVOH bekannt), aus Polymerschichten, auf welchen eine dünne Schicht (mit einer Dicke von im Allgemeinen unter 0,5 μm) aus Aluminium oder einem anorganischen Oxid aufgebracht worden ist, oder aus einer Metallfolie, hauptsächlich aus Aluminium, mit einer Dicke, die im Allgemeinen 4 bis 10 μm beträgt, geformt werden kann. Der mehrschichtige Sperrbogen umfasst mindestens eine Tragschicht aus einem Polymermaterial mit guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere Formbarkeit, wobei diese Schicht beispielsweise aus Polyacrylnitril (PAN) oder einem Polyolefin gebildet werden kann. Auf der in Bezug auf diese Tragschicht anderen Seite ist die Sperrschicht mit mindestens einer, ebenfalls polymeren Schutzschicht bedeckt. Dabei sind die polymeren Schutzschichten üblicherweise aus Polyestern (beispielsweise Polyethylenterephthalat, üblicherweise abgekürzt als PET) oder Polyamiden (beispielsweise Nylon^®) hergestellt. Mehrschichtfolien, die fünf, sechs oder noch mehr übereinander angeordnete Schichten umfassen, sind auch üblich.
• Die Hülle wird im Allgemeinen aus zwei Sperrbögen mit rechtwinkliger Gestalt gebildet, die entlang ihrer Ränder durch umfängliche Schweißnähte miteinander verbunden sind. Die so miteinander verbundenen Ränder der Sperrbögen bilden vier Seitenwände, die an den Seiten der so gebildeten Hülle angeordnet sind. Jedoch besteht der Hauptnachteil der Hüllen dieser Art genau in dem Vorhandensein dieser Seitenwände, die sehr fragil sind und deren mögliche Risse sich leicht über die Umfangsschweißnähte hinaus fortpflanzen können, wodurch das Eindringen von Atmosphärengasen in den Mantel und somit die Verschlechterung seiner Wärmeisolationseigenschaften verursacht wird.
• Auf anderen technischen Gebieten, beispielsweise bei der Verpackung von Lebensmitteln, ist ein allgemeines Verfahren zur Herstellung einer Hülle bekannt, das von einer einzigen rechtwinkligen Kunststofffolie ausgeht, wodurch es möglich wird, die Anzahl der Seitenwände von vier auf zwei zu senken. Gemäß jenem Verfahren, dessen Stufen kurz in den 5a bis 5c veranschaulicht sind, wird die Folie S umgebogen, bis sich zwei einander gegenüberstehende Ränder M, M', die zur selben Seite der Folie gehören, treffen (5a). Diese Ränder werden durch eine Längsschweißnaht miteinander verbunden, wodurch sich ein Schweißsteg F bildet, der zur Außenfläche der Folie umgelegt wird (5b). Somit wird eine Hülle mit zwei offenen Enden gebildet, deren Versiegelung quer zum Steg F durchgeführt wird, indem ihre Kanten zwischen Heizelemente gebracht werden. In den zwei Bereichen, in welchen sich diese Schweißnähte mit dem Steg treffen, nimmt die Hülle die in 5c gezeigte Form an (deren Maßstab in Bezug auf die 5a und 5b vergrößert ist).
• Dieses Verfahren kann jedoch nicht auf evakuierte Mäntel angewendet werden. In der in 5c gezeigten umgebogenen Position verursacht der Steg F eine Dicke, welche den Übergang der Hitze von den Heizelementen auf die darunter liegenden Polymerschichten des Sperrbogens verringert und deshalb eine perfekte gegenseitige Versiegelung verhindert. Ferner bildet wegen seiner Steifigkeit der Sperrbogen entlang den Biegelinien kaum scharfe Ecken und kann nur gebogen werden, wobei in dem gemeinsamen Bereich von Steg F und den dazu quer liegenden Versiegelungen ein Spalt (in 5c mit L gekennzeichnet) übrigbleibt, welcher den Durchtritt von Atmosphärengasen ins Innere des Mantels, obwohl im verringerten Ausmaß, erlaubt. Die kleinsten Gaszutritte, die aus diesen Unvollkommenheiten resultieren und auf anderen technischen Gebieten akzeptabel sind, sind es nicht bei Hüllen für evakuierte Mäntel.
• Deshalb liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, einen evakuierten Mantel, der diese Nachteile nicht hat und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen evakuierten Mantel gelöst, dessen Hauptmerkmale im Patentanspruch 1 und dessen weitere Merkmale in den folgenden Patentansprüchen definiert sind. Die Merkmale des Verfahrens sind im Patentanspruch 7 definiert.
• Der erste Vorteil des erfindungsgemäßen evakuierten Mantels besteht darin, dass dessen Hülle auch an den Versiegelungen der Enden eine sehr gute Gasdichtheit besitzt, obwohl er aus einem einzigen Sperrbogen hergestellt wird. Da Tragschicht und Schutzschicht aus miteinander wärmedichtbaren Materialien mit ähnlicher Schmelztemperatur gebildet sind, ist es möglich, dass die einander gegenüberliegenden Schichten durch Längsschweißen entlang den einander gegenüberliegenden Seiten der Folie miteinander verbunden werden, sodass die erhaltene Hülle im Bereich der Schweißnaht flach ist und keinen Längssteg enthält.
• Deshalb bewirkt, wenn der Rand eines Endes der Hülle zwischen Heizelemente gebracht wird, um sie zu versiegeln, die Wärme der Heizelemente das Anschmelzen von Trag- und Schutzschichten, die weich werden, wodurch es möglich wird, dass sich die Heizelemente einander annähern und so sämtliche Spalten zwischen den Bereichen dieser Ränder beseitigen.
• Ein Vorteil des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen evakuierten Mantels besteht darin, dass gleichzeitig mit dem Versiegeln der Enden der Hülle die Dicke der Querstege durch die Heizelemente gleich gemacht wird. Während sich die Heizelemente einander annähern, wird durch deren Druck überschüssiges Material von den Seiten hinausgedrückt und kann entfernt werden.
• Entsprechend einem speziellen erfindungsgemäßen Merkmal werden Tragschicht und Schutzschicht aus demselben Material hergestellt.
• Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen evakuierten Mantels werden anhand der folgenden speziellen Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen näher erläutert, wobei
• 1 einen vergrößerten Querschnitt durch einen Sperrbogen, der zur Herstellung eines evakuierten Mantels gemäß dieser Ausführungsform verwendet werden kann,
• 2 eine Stufe der Herstellung des evakuierten Mantels gemäß dieser Ausführungsform,
• 3 einen vollständig evakuierten Mantel gemäß dieser Ausführungsform und
• 4 einen vergrößerten Querschnitt durch eine Seitenwand des Mantels von 3 entlang der Linie IV-IV jener Figur zeigt und die
• 5a, 5b und 5c, wobei die letzte ein vergrößerter Teilquerschnitt ist, schematisch drei Stufen der Herstellung eines bekannten Mantels zeigen.
• In 1 ist der Sperrbogen 1 gezeigt, welcher die Hülle des evakuierten Mantels entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführungsform bildet, und welcher aus einer Mehrschichtfolie besteht, die eine Zentralschicht 2 umfasst, die Sperrfunktionen gegenüber Atmosphärengasen besitzt und beispielsweise aus einer Metallfolie, beispielsweise aus Aluminium, mit einer Dicke von zwischen 4 und 10 μm besteht.
• Weiterhin umfasst diese Mehrschichtfolie eine untere Schicht 3 und eine obere Schicht 4, die für die Bereitstellung von Unterstützung und Schutz für die Zentralschicht 2 und für die Heißversiegelung der Folie geeignet sind. Außer guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere Formbarkeit, ist es erforderlich, dass die Materialien, welche diese Schichten bilden, miteinander wärmedichtbar sind. Diese Materialien können aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Polyacrylnitril (PAN), Polyolefinen wie Polyethylen und Polyvinylchlorid sowie Mischungen und Copolymeren davon besteht. Untere Schicht 3 und obere Schicht 4 haben geeigneterweise eine Dicke von zwischen 20 und 100 μm und vorzugsweise von etwa 50 μm.
• Entsprechend einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind untere Schicht 3 und obere Schicht 4 aus demselben Material hergestellt. Dafür ist Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE) besonders geeignet.
• In 2 ist gezeigt, dass die Hülle des erfindungsgemäßen evakuierten Mantels hergestellt wird, indem der Sperrbogen 1 so umgebogen wird, dass ihre zwei einander entgegengesetzt liegenden Ränder 5 und 6 übereinander zur Auflage kommen. Dieses Übereinander-Anordnen wird so durchgeführt, dass sich die untere Schicht 3 mit dem Rand 5 mit der oberen Schicht 4 mit ihrem anderen Rand 6 berührt.
• In 3 ist gezeigt, dass aufgrund der gegenseitigen Wärmedichtbarkeit von unterer Schicht 3 und oberer Schicht 4 die Längsschweißverbindung der zwei Ränder 5 und 6 durchgeführt worden ist, ohne den Sperrbogen umlegen zu müssen, weshalb die erhaltene Hülle keinen Längssteg hat und im länglichen Bereich 7 der Längsschweißnaht flach ist.
• Anschließend werden die offenen Enden entlang der Kanten, die quer zu den Rändern 5 und 6 stehen, versiegelt, indem diese Kanten zwischen Heizelemente gebracht werden. Nach Versiegelung miteinander bilden diese Kanten zwei Seitenwände 8.
• Vor dem letzten Versiegelungsvorgang wird ein poröses oder diskontinuierliches organisches oder anorganisches Füllmaterial einer beliebigen bekannten Art und wahlweise ein Gettermaterial bzw. eine Gettervorrichtung in der Hülle angeordnet. Auf diesem Gebiet ist eine Anzahl von Gettermaterialien bzw. -vorrichtungen bekannt, die für die Chemisorption von Feuchtigkeit oder anderen Atmosphärengasen geeignet sind, weshalb eine spezielle Beschreibung nicht erforderlich ist.
• In 4 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt durch eine der Seitenwände 8 gezeigt. Insbesondere ist der Teil dieser Seitenwand gezeigt, der den länglichen Bereich 7 der Längsschweißnaht umfasst. Unter Bezugnahme auf diese Figur ist gezeigt, dass die Dicke einer jeden Seitenwand 8 über deren gesamte Länge gleich ist, unabhängig von der dreifachen Übereinander-Anordnung des Sperrbogens 1 im länglichen Bereich 7 der Längsschweißnaht. Dies kann unter Berücksichtigung der Tatsache erklärt werden, dass im länglichen Bereich 7 die untere Schicht 3 und die obere Schicht 4 des Sperrbogens dünner geworden sind. In der Stufe der Versiegelung der Hüllenenden bewirkt die Hitze der Heizelemente, dass diese Schichten anschmelzen und weich werden, sodass etwas von dem Polymermaterial, aus welchem sie gebildet sind, durch den von diesen Heizelementen ausgeübten Druck von den Seiten verdrängt wird und somit entfernt werden kann. Wie der Figur zu entnehmen, sind die Kanten der Hüllenenden ohne Spalt miteinander perfekt versiegelt. Im Gegensatz dazu sind nach dem Verfahren des Standes der Technik, das weiter oben unter Bezugnahme auf 5c beschrieben worden ist, die Versiegelungen in diesem Bereich nicht perfekt, sodass der Luftzutritt in die Umhüllung möglich ist, was deren Wärmeisolationseigenschaften verschlechtert.

Claims (8)

1. Evakuierter Mantel zur Wärmeisolation mit einem diskontinuierlichen oder porösen, organischen oder anorganischen Füllmaterial innerhalb eines Umschlags gebildet mit zumindest einem im Wesentlichen rechteckigen Mehrschichtsperrbogen (1) mit wenigstens einer polymeren oder anorganischen Zentralschicht (2) mit Sperrfunktion gegenüber atmosphärischen Gasen, einer oberen Schicht (4) und einer unteren Schicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (4) und die untere Schicht (3) der Sperrschicht (1) aus gegenseitig wärmedichtbaren polymeren Materialien gebildet sind.
2. Evakuierter Mantel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das polymere Material, welches die obere Schicht (4) und das polymere Material, welches die untere Schicht (3) der Sperrschicht bildet, ausgewählt sind aus der Gruppe aus: Polyolefinen, Polyacrylnitril, Polyvinylchlorid und Mischungen oder Copolymeren davon.
3. Evakuierte Mantel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die obere Schicht (4) und die untere Schicht (3) des Sperrbogens aus hochdichtem Polyethylen oder einem Copolymer davon gebildet sind.
4. Evakuierter Mantel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (4) und die untere Schicht (3) der Sperrschicht (1) eine Dicke zwischen 20 und 100 μm besitzen.
5. Evakuierter Mantel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schicht (4) und die untere Schicht (3) eine Dicke von etwa 50 μm haben.
6. Evakuierter Mantel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gettermaterial oder -bauteil umfasst.
7. Verfahren zur Herstellung eines evakuierten Mantels nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – Vorbereiten eines Mehrschichtsperrbogens mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit zumindest einer polymeren oder anorganischen Zentralschicht (2) mit Sperrfunktion gegenüber atmosphärischen Gasen, einer oberen Schicht (4) und einer unteren Schicht (3), gebildet aus gegenseitig wärmedichtbaren polymeren Materialien; – Falten der Sperrschicht (1), so dass zwei gegenüberliegende Ränder (5,6) davon sich einander überlagern und Zusammenschweißen der Ränder durch Schmelzen der oberen Schicht (4) an einem Rand (6) und der unteren Schicht (3) am anderen Rand (5), wodurch ein Umschlag mit zwei offenen Enden erhalten wird; – Versiegeln eines offenen Endes des Umschlags durch Verschweißen einer Kante der Sperrschicht, welche orthogonal zu den Rändern (5,6) ist mit sich selbst; – Einführen eines diskontinuierlichen oder porösen, anorganischen oder organischen Füllmaterials in die den Umschlag; - Evakuieren des Inneren des Umschlags; und – Versiegeln des anderen offenen Endes des Umschlags durch Verschweißen der anderen Kante der Sperrschicht, die orthogonal zu den Rändern (5,6) ist mit sich selbst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem letzten Siegelvorgang ein Gettermaterial in den Umschlag eingeführt wird.