RU120437U1

RU120437U1 - VACUUM HEAT-INSULATING PANEL

Info

Publication number: RU120437U1
Application number: RU2012118186/03U
Authority: RU
Inventors: Александр Дмитриевич Веденин; Андрей Петрович Пустовгар
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Вакуумная теплоизоляционная панель, содержащая наполнитель на основе вакуумированного наноструктурного порошка частиц диатомита, размещенного внутри защитного и барьерного слоев, отличающаяся тем, что барьерный слой выполнен из металлизированного полимерного композита; между барьерным слоем и диатомитовым наполнителем находится полимерный мембранный слой, а частицы диатомита содержат инфракрасный глушитель - диоксид титана в количестве от 5% до 20% от веса наполнителя. A vacuum heat-insulating panel containing a filler based on an evacuated nanostructured powder of diatomite particles placed inside the protective and barrier layers, characterized in that the barrier layer is made of a metallized polymer composite; between the barrier layer and the diatomite filler there is a polymer membrane layer, and the diatomite particles contain an infrared muffler - titanium dioxide in an amount of 5% to 20% by weight of the filler.

Description

Полезная модель относится к конструкционным строительным изделиям, в частности, к теплоизоляционным панелям на основе вакуумированного пористого материала, а именно: диатомита.The utility model relates to structural building products, in particular, to heat-insulating panels based on evacuated porous material, namely diatomite.

Известен теплоизоляционный мат, состоящий из разделенной на отдельные секции оболочки из ткани, заполненной насыпным наполнителем, отличающийся тем, что все секции оболочки заполнены гранулированным пеностеклом без уплотнения (патент РФ №44699, МПК Е04В 1/76, F16L 59/00, опубл. 27.03.2005).Known heat-insulating mat, consisting of a shell divided into separate sections of a fabric filled with bulk filler, characterized in that all sections of the shell are filled with granulated foam glass without sealing (RF patent No. 44699, IPC EV04 1/76, F16L 59/00, publ. 27.03 .2005).

Это устройство тепловой защиты из пеностекла является универсальным, долговечным, легким и многоразового использования. Пеностекло обладает высокой прочностью 0,7-1,5 МПа. Коэффициент теплопроводности легкого и тяжелого пеностекла равен 0,06-0,08 Вт/(м·К). Так как гранулированное пеностекло изготавливается из отходов бытового и тарного стекла, применение его экономически и социально выгодно. Равномерно распределенная замкнуто-пористая структура делает его негигроскопичным материалом, не теряющим теплоизоляционных свойств во влажных условиях.This foam glass thermal protector is versatile, durable, lightweight and reusable. Foam glass has a high strength of 0.7-1.5 MPa. The coefficient of thermal conductivity of light and heavy foam glass is 0.06-0.08 W / (m · K). Since granular foam glass is made from household waste and container glass, its use is economically and socially beneficial. The uniformly distributed closed-porous structure makes it a non-hygroscopic material that does not lose heat-insulating properties in wet conditions.

Недостатками теплоизоляционного мата является неоднородность структуры, наполнителя и неравномерность физико-химических свойств по его объему, а также недостаточная теплоизоляционная эффективность для многих практических приложений.The disadvantages of the heat-insulating mat are the heterogeneity of the structure, filler and the unevenness of the physicochemical properties in its volume, as well as insufficient heat-insulating efficiency for many practical applications.

Известно вакуумное теплоизоляционное изделие (патент РФ №2144595, МПК Е04В 1/80, F16L 59/06, опубл. 20.01.2000), выполненное в виде вакуумированного плоского корпуса, снабженное промежуточным опорным элементом, основание и крышка корпуса с внутренней стороны снабжены ребрами жесткости, которые своими выступами опираются на промежуточный опорный элемент, помещенный между ними, при этом ребра жесткости крышки корпуса смещены по отношению к ребрам жесткости основания корпуса так, что точки опоры ребер жесткости крышки корпуса на промежуточный опорный элемент располагаются между опорными точками ребер жесткости основания корпуса. Корпус изделия целиком или только по периметру помещен в теплоизоляционный материал, которым также заполнены вдавленные внутрь корпуса выступы. При этом теплоизоляционный материал имеет коэффициент теплопроводности ниже, чем материал корпуса.A vacuum heat-insulating product is known (RF patent No. 2144595, IPC Е04В 1/80, F16L 59/06, publ. 20.01.2000), made in the form of a vacuum flat body, equipped with an intermediate supporting element, the base and the housing cover are provided with stiffeners on the inside , which with their protrusions rest on an intermediate support element placed between them, wherein the stiffeners of the housing cover are offset with respect to the stiffeners of the housing base so that the support points of the stiffeners of the housing cover on the intermediate support Ment located between the reference points of the ribs of the base of the housing. The entire body of the product, or only around the perimeter, is placed in a heat-insulating material, which also protrudes into the protrusions pressed into the body. In this case, the heat-insulating material has a thermal conductivity coefficient lower than the case material.

Такое вакуумное теплоизоляционное изделие позволяет снизить удельную материалоемкость и обеспечить повышение ее теплоизоляционной эффективности. Однако изделие характеризуется сложной конструкцией, реализация которой связано со значительными технологическими и экономическими затратами.Such a vacuum thermal insulation product allows to reduce the specific material consumption and to provide an increase in its thermal insulation efficiency. However, the product is characterized by a complex design, the implementation of which is associated with significant technological and economic costs.

Известна вакуумированная теплоизоляционная панель, содержащая гибкую оболочку, внутри которой размещен наполнитель, выполненный из многослойного теплоизоляционного материала, включающего алюминиевую фольгу, пластик и бумагу, нарезанного на кусочки размером не более 10 мм, а сама панель изготовлена посредством горячего прессования под давлением непосредственно в гибкой оболочке (патент РФ №106715, МПК F16L 59/00, опубл. 20.07.2011). Наполнитель содержит связующую добавку из полиэтилена, гибкая оболочка выполнена из химически стойкого пластика.A vacuum-insulated thermal insulation panel is known that contains a flexible shell, inside of which is a filler made of a multilayer thermal insulation material, including aluminum foil, plastic and paper, cut into pieces no more than 10 mm in size, and the panel itself is made by hot pressing under pressure directly in a flexible shell (RF patent No. 106715, IPC F16L 59/00, publ. July 20, 2011). The filler contains a binder of polyethylene, a flexible shell made of chemically resistant plastic.

Данная вакуумированная панель имеет низкую теплопроводность, что позволяет использовать ее в строительстве как теплоизоляционные панели, которые имеют малый вес, достаточно высокую прочность и надежность в эксплуатации.This evacuated panel has a low thermal conductivity, which allows it to be used in construction as heat-insulating panels that are light weight, sufficiently high strength and reliability in operation.

Недостатком панели является технологическая трудность создания регулярного открытого порового пространства теплоизоляционного материала, необходимого для вакуумирования, путем механического измельчения. Кроме того, используемые для изготовления наполнителя материалы (фольга, пластик, бумага) являются плотными и обладают достаточно высокой теплопроводностью. Связующая добавка из полиэтилена также не способствует снижению теплопроводности наполнителя.The disadvantage of the panel is the technological difficulty of creating a regular open pore space of the heat-insulating material necessary for evacuation by mechanical grinding. In addition, the materials used for the manufacture of the filler (foil, plastic, paper) are dense and have a sufficiently high thermal conductivity. A binder of polyethylene also does not help to reduce the thermal conductivity of the filler.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является панель, включающая теплоизоляционный слой, размещенный между наружным и внутренним слоями, при этом наружный слой выполнен из декоративного стекла, внутренний слой из латонита, теплоизоляционный слой из вакуумированного наноструктурированного порошка частиц диатомита, при этом все слои соединены полиуретановым клеем по всем поверхностям (патент РФ №98021, МПК Е04С 2/02, опубл. 27.09.2010).The closest analogue adopted for the prototype is a panel that includes a heat-insulating layer located between the outer and inner layers, while the outer layer is made of decorative glass, the inner layer is made of latonite, the insulating layer is made of evacuated nanostructured powder of diatomite particles, while all layers are connected polyurethane adhesive on all surfaces (RF patent No. 98021, IPC E04C 2/02, publ. 09/27/2010).

Данная панель имеет повышенные декоративные характеристики за счет использования в качестве наружного слоя стекла, обеспечивает повышение защиты вакуумированного утеплителя от повреждений при монтаже в результате применения фиброцементных плит, служащих внутренним основным несущим слоем, и обладает долговечностью и высокой теплоизоляцией благодаря высокой пористости, равной 95%, и низкому коэффициенту теплопроводности применяемого диатомита, равному 0,002 Вт/м·К.This panel has enhanced decorative characteristics due to the use of glass as the outer layer, provides increased protection of the vacuum insulation from damage during installation as a result of the use of fiber cement boards, which serve as the inner main supporting layer, and has durability and high thermal insulation due to its high porosity of 95%, and low coefficient of thermal conductivity of the used diatomite equal to 0.002 W / m · K.

Теплопроводность пористых материалов определяется в предположении аддитивности различных механизмов переноса тепла выражением:The thermal conductivity of porous materials is determined assuming the additivity of various heat transfer mechanisms by the expression:

λ=λ_т+λ_г+λ_к+λ_р λ = λ _t + λ _g + λ _k + λ _p

где λ_т, λ_г, λ_к, λ_р - вклад теплопроводности пористой основы; газа, заполняющего поры наполнителя; конвективной составляющей и излучения соответственно. Для вакуумных изоляционных панелей выражение для определения теплопроводности панели примет вид:where λ _t , λ _g , λ _k , λ _p - the contribution of thermal conductivity of the porous base; gas filling the pores of the filler; convective component and radiation, respectively. For vacuum insulation panels, the expression for determining the thermal conductivity of the panel will take the form:

λ=λ_т+λ_р.λ = λ _t + λ _p .

Значение составляющей λ_т зависит от кажущейся плотности пористого наполнителя панели и в случае применения диатомита характеризуется конкретным месторождением. Благодаря его высокой пористости, составляющая λ_т имеет достаточно низкое значение. Дальнейшее снижение плотности диатомита с целью уменьшения значений коэффициента его теплопроводности связано с дорогостоящими технологическими процедурами физико-химического модифицирования его структуры и поверхности. Поэтому экономически целесообразнее снижать радиационную составляющую теплопроводности λ_р.The value of the component λ _t depends on the apparent density of the porous filler panel and in the case of diatomite is characterized by a specific field. Due to its high porosity, the component λ _t has a rather low value. A further decrease in the density of diatomite in order to reduce the values of its thermal conductivity is associated with expensive technological procedures for physicochemical modification of its structure and surface. Therefore, it is economically feasible to reduce the radiation component of thermal conductivity λ _p .

Также эффективность теплоизоляции вакуумной панели и долговечность ее эксплуатации зависит от барьерных свойств оболочки, т.е. газопроницаемости. Несмотря на то, что фиброцементные плиты и полиуретановый клей обладают низкой газонепроницаемостью, они не являются надежными барьерными материалами, достаточными для обеспечения требуемой герметичности корпуса панели в течение длительной эксплуатации.Also, the effectiveness of thermal insulation of a vacuum panel and the durability of its operation depend on the barrier properties of the shell, i.e. gas permeability. Despite the fact that fiber cement boards and polyurethane adhesive have low gas impermeability, they are not reliable barrier materials sufficient to provide the required tightness of the panel body for long-term operation.

Поэтому, имея повышенные теплозащитные характеристики в результате использования чистых диатомитов, эта вакуумная панель не обеспечивает полного повышения теплоизоляционных свойств и длительного сохранения герметичности конструкции.Therefore, having increased heat-shielding characteristics as a result of using pure diatomites, this vacuum panel does not provide a complete increase in thermal insulation properties and long-term preservation of the tightness of the structure.

Задачей полезной модели является повышение теплоизоляционных характеристик заявляемой вакуумной панели на основе диатомита и обеспечение длительного сохранения вакуума в ее герметичном корпусе.The objective of the utility model is to increase the thermal insulation characteristics of the inventive diatomite-based vacuum panel and to ensure long-term vacuum retention in its sealed enclosure.

Техническим результатом, достигаемым заявляемой полезной моделью, является создание вакуумной панели со сниженным лучистым теплообменом диатомитового наполнителя, а также повышение теплоизоляционных свойств и герметичности конструкции панели.The technical result achieved by the claimed utility model is the creation of a vacuum panel with reduced radiant heat transfer of a diatomaceous filler, as well as improving the thermal insulation properties and the tightness of the panel structure.

Технический результат по снижению лучистого теплообмена диатомитового наполнителя заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели достигается путем применения инфракрасных глушителей, в качестве которых могут использоваться вспученный перлит, сажа, терморасширенный графит, карбид кремния, оксиды металлов: алюминия, железа, марганца, титана, циркония, хрома, - а также соли: силикаты и фосфаты. С этой целью указанные выше инфракрасные глушители и диатомит в заданных пропорциях смешиваются и совместно измельчаются в мельницах различного типа: шаровых, молотковых, бисерных, планетарных, роторных, вихревых, струйных и др. Наиболее предпочтительно механохимическую подготовку наполнителя панели проводить в два этапа. На первом этапе осуществляется грубый размол сырьевых компонентов до порошкового состояния. Второй этап заключается в тонком помоле смесей порошков диатомита и инфракрасных глушителей, как правило, на измельчителях вихревого и струйного типа с аэродинамической классификацией полученных смесей по размеру частиц. При этом размол ведется до создания частиц наполнителя панели размером 50-100 мкм.The technical result of reducing the radiant heat transfer of the diatomite filler of the claimed vacuum thermal insulation panel is achieved by using infrared silencers, which can be used expanded perlite, carbon black, thermally expanded graphite, silicon carbide, metal oxides: aluminum, iron, manganese, titanium, zirconium, chromium, - and also salts: silicates and phosphates. To this end, the above infrared silencers and diatomite in predetermined proportions are mixed and co-milled in mills of various types: ball, hammer, bead, planetary, rotor, vortex, jet, etc. Most preferably, the mechanochemical preparation of the panel filler is carried out in two stages. At the first stage, coarse grinding of raw materials to a powder state is carried out. The second stage consists in fine grinding mixtures of diatomite powders and infrared silencers, as a rule, on vortex and jet type grinders with aerodynamic classification of the obtained mixtures by particle size. In this case, the grinding is carried out until the creation of particles of the filler panel size of 50-100 microns.

Наиболее предпочтительно для уменьшения радиационной составляющей теплопроводности диатомитового наполнителя панели применять оксид титана в виду его эффективности, пожарной безопасности, коммерческой доступности. При этом содержание оксида титана в диатомитовом наполнителе должно составлять от 5% до 20% веса наполнителя.Most preferably, to reduce the radiation component of the thermal conductivity of the diatomite filler panels, titanium oxide is used in view of its effectiveness, fire safety, and commercial availability. The content of titanium oxide in the diatomaceous filler should be from 5% to 20% by weight of the filler.

Технический результат по обеспечению герметичности корпуса заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели и длительного сохранения вакуума внутри ее достигается применением высокоэффективных барьерных материалов оболочки панели на основе полимерных композитов.The technical result of ensuring the tightness of the housing of the claimed vacuum thermal insulation panel and the long-term preservation of the vacuum inside it is achieved by using highly effective barrier materials of the panel sheath based on polymer composites.

Барьерные материалы, изготовленные из природных материалов и обычных пластических масс, либо не технологичны, либо не достигают необходимого барьерного эффекта по газопроницаемости и проникновению паров воды. Алюминиевая фольга, которая удобна в обработке и использовании в различных приложениях, а также обладает практически полным барьером для газов, нежелательна во многих теплоизоляционных материалах из-за высокой теплопроводности алюминия.Barrier materials made from natural materials and ordinary plastics are either not technologically advanced or do not achieve the necessary barrier effect in terms of gas permeability and water vapor penetration. Aluminum foil, which is convenient to process and use in various applications, and also has an almost complete barrier to gases, is undesirable in many heat-insulating materials due to the high thermal conductivity of aluminum.

В качестве барьерных материалов заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели предлагается использовать многослойные полимерные композиты.As barrier materials of the claimed vacuum thermal insulation panel, it is proposed to use multilayer polymer composites.

Примерный вариант многослойного барьерного композита может включать последовательно следующие компоненты: наружный слой из полиэтилентерефталата (ПЭТФ); слой алюминия, полученный методом газофазной металлизации субстрата ПЭТФ; адгезив, как правило, на полиуретановой (ПУ) основе; слой ПЭТФ; слой алюминия; адгезив ПУ; слой ПЭТФ; слой алюминия; адгезив ПУ и, наконец, внутренний слой полиэтилена низкой или высокой плотности. Чем тоньше металлизированный слои, тем легче панель и меньше ее теплопроводность из-за мостиков холода металлов, напыляемых на субстрат ПЭТФ. Однако толщина металлизированного слоя алюминия не должна быть меньше 100-150 мкм, так как в этом случае возрастает вероятность его механического повреждения. Такой многослойный барьерный композит характеризуется суточным проницанием паров воды 0.003-0.005 г·м^-2 и кислорода 0.001-0.002 см³m^-2, что позволяет вакуумным теплоизоляционным панелям сохранять теплозащитные свойства (теплопроводность 0,001-0,006 Вт/м·К) свыше 50 лет.An exemplary multilayer barrier composite may consist of the following components: an outer layer of polyethylene terephthalate (PET); an aluminum layer obtained by gas-phase metallization of a PET substrate; adhesive, as a rule, on a polyurethane (PU) basis; PET layer; layer of aluminum; adhesive PU; PET layer; layer of aluminum; PU adhesive and, finally, the inner layer of low or high density polyethylene. The thinner the metallized layers, the lighter the panel and its lower thermal conductivity due to the cold bridges of metals sprayed onto the PET substrate. However, the thickness of the metallized layer of aluminum should not be less than 100-150 microns, since in this case the probability of its mechanical damage increases. Such a multilayer barrier composite is characterized by a daily penetration of water vapor of 0.003-0.005 g · m ^-2 and oxygen of 0.001-0.002 cm ³ m ^-2 , which allows vacuum thermal insulation panels to maintain heat-shielding properties (thermal conductivity of 0.001-0.006 W / m · K) over 50 years .

Технологический внутренний мембранный слой, расположенный между барьерным слоем и наполнителем, служит для формообразования панели и прессования порошка диатомита. Размер пор этого слоя должен быть меньше размера частиц диатомита, т.е. 5-30 мкм, что позволяет в процессе производства панели полностью заполнить под давлением внутреннее пространство мембранного слоя диатомитом, а затем создать в нем вакуум без потери теплоизоляционного материала наполнителя.The technological inner membrane layer located between the barrier layer and the filler serves to form the panel and compress the diatomite powder. The pore size of this layer should be less than the particle size of diatomite, i.e. 5-30 microns, which allows the panel to completely fill the interior of the membrane layer under pressure with diatomite under pressure, and then create a vacuum in it without losing the heat-insulating material of the filler.

Также оболочка панели включает наружный защитный слой из твердого материала, например, стекловолокна, пластика АБС, полиэтилена низкого давления с твердым покрытием и т.п., который выполняет защитную функцию от атмосферных и других внешних воздействий, возникающих при транспортировке и монтаже, а также может служить несущей конструкцией, позволяющей выдерживать атмосферное давление.The panel shell also includes an outer protective layer of solid material, for example, fiberglass, ABS plastic, hard-coated low-pressure polyethylene, etc., which performs a protective function against atmospheric and other external influences arising during transportation and installation, and can also serve as a supporting structure to withstand atmospheric pressure.

На чертеже показан вариант заявляемой вакуумной теплоизоляционной панели на основе диатомита, содержащей:The drawing shows a variant of the inventive vacuum thermal insulation panel based on diatomite, containing:

1 - внешний декоративный защитный слой с твердым покрытием;1 - external decorative protective layer with a hard coating;

2 - барьерный слой на основе металлизированных полимерных композитов;2 - a barrier layer based on metallized polymer composites;

3 - внутренний мембранный слой из полимерного материала;3 - the inner membrane layer of a polymeric material;

4 - наполнитель из диатомитового порошка с инфракрасным глушителем.4 - filler of diatomaceous powder with an infrared silencer.

Внешний слой 1 придает заявляемой теплозащитной панели привлекательный декоративный вид, а также устойчивость к атмосферным воздействиям и механическим повреждениям. Средний композитный барьерный слой 2 представляет собой ламинат с несколькими полимерными пленками, покрытыми алюминием или другими плотными материалами, обладающими низкой проницаемостью как для газов, так и для паров воды. Внутренний мембранный слой 3 служит формообразующей емкостью, содержащей теплоизоляционный наполнитель вакуумной панели.The outer layer 1 gives the claimed heat-shielding panel an attractive decorative look, as well as resistance to weathering and mechanical damage. The middle composite barrier layer 2 is a laminate with several polymer films coated with aluminum or other dense materials having low permeability for both gases and water vapor. The inner membrane layer 3 serves as a forming container containing a heat-insulating filler of the vacuum panel.

Диатомитовый наполнитель 4 с инфракрасным глушителем - диоксидом титана эффективно обеспечивает необходимое сопротивление теплопередаче.Diatomaceous filler 4 with an infrared silencer - titanium dioxide effectively provides the necessary heat transfer resistance.

Таким образом, предлагаемая вакуумная теплоизоляционная панель имеет повышение теплозащитные характеристики, характеризуемые высокой теплопроводностью и сохраняемые в течение длительного времени.Thus, the proposed vacuum thermal insulation panel has an increase in heat-shielding characteristics, characterized by high thermal conductivity and stored for a long time.

Claims

A vacuum thermal insulation panel containing a filler based on a vacuum nanostructured powder of diatomaceous particles placed inside the protective and barrier layers, characterized in that the barrier layer is made of a metallized polymer composite; between the barrier layer and the diatomite filler is a polymer membrane layer, and the diatomite particles contain an infrared silencer - titanium dioxide in an amount of from 5% to 20% by weight of the filler.