DE20201836U1

DE20201836U1 - Thermal insulation component with a gas-tight enclosed cavity filled with xenon or krypton

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Publication number: DE20201836U1
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Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2012-02-08

Description

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BeschreibungDescription

Wärmedämmendes Bauelement mit einem allseitig gasdicht umschlossenen, mit Xenon oder Krypton gefüllten HohlraumThermally insulating component with a cavity that is gas-tight on all sides and filled with xenon or krypton

Bauelemente zur Wärmedämmung mit einem Hohlraum, der mit einem wärmedämmenden Gas wie Argon, Krypton oder Xenon gefüllt ist, sind Stand der Technik bei den Mehrscheiben - Isolierverglasungen, Anwendüngsmöglickeiten als Elemente fur die transparente Wärmedämmung im Fassadenbereich sind bekannt (z.B. DE 001964251 ICl). Die Anwendung von mit Xenon oder Krypton als Dämmmaterial angefüllten Bauelementen wird durch die hohen Materialpreise und wegen der erhöhten konvektionsbedingten Wärmeverluste bei größeren Scheibenzwischenräumen eingeschränkt. Das Evakuieren von Hohlräumen als Methode zur Wärmedämmung wird schon seit langem praktiziert, die Anwendung zur Wärmedämmung von Gebäuden wird aber wegen des vakuumbedingten konstruktiven Mehraufwandes und wegen der Schwierigkeit der Aufrechterhaltung des für vakuumbedingt geringe Transmissionswärmeverluste notwendigen hochwertigen Vakuums eingeschränkt. Unter der vakuumbedingten Herabsetzung der Transmissionswärmeverluste ist hier speziell die Herabsetzung der Transmissionswärmeverluste zu verstehen, die proportional zum Druck des im Hohlraum noch vorhandenen Restgases abnehmen, wenn der Gasdruck so klein wird, dass die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle gleich groß oder größer wird als die mittlere Entfernung zwischen den innenliegenden Oberflächen der Hohlraumhüllen oder der Oberflächen der sich im Hohlraum befindenden Einbauten.Thermal insulation components with a cavity filled with a thermally insulating gas such as argon, krypton or xenon are state of the art in multi-pane insulating glazing. Possible applications as elements for transparent thermal insulation in facades are known (e.g. DE 001964251 ICl). The use of components filled with xenon or krypton as insulating material is limited by the high material prices and the increased convection-related heat losses in larger gaps between panes. Evacuation of cavities as a method of thermal insulation has long been practiced, but its use for thermal insulation of buildings is limited due to the additional construction effort required by the vacuum and the difficulty of maintaining the high-quality vacuum required for low transmission heat losses caused by the vacuum. The vacuum-induced reduction in transmission heat losses here specifically refers to the reduction in transmission heat losses which decrease in proportion to the pressure of the residual gas still present in the cavity when the gas pressure becomes so small that the mean free path of the gas molecules becomes equal to or greater than the mean distance between the inner surfaces of the cavity shells or the surfaces of the internals located in the cavity.

Die Neuheit bei dem in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Bauelement liegt in der Anwendung eines Zwischenvakuums mit 1 Torr bis 100 Torr Gasdruck zum Zweck der Herabsetzung der Materialkosten für die Gasfüllung und zur Herabsetzung der Gaskonvektion.The novelty of the component specified in claims 1 and 2 lies in the use of an intermediate vacuum with 1 Torr to 100 Torr gas pressure for the purpose of reducing the material costs for the gas filling and for reducing gas convection.

Die Bauteilkostensteigerung eines Dämmelements von 250 mm Hohlraumdicke ist bei einer Füllung mit dem extrem schlecht wärmeleitenden Gas Xenon, bei den üblichen Gaspreisen für Xenon und lOmbar Gasdruck in Relation zu den Gesamtkosten des Bauteils vertretbar. Der Wärmedurchgangskoeffizient des Gases hat bei 24 cm Gasschichtdicke den ungefähren Wert 0,022 W / (m^{2 0}K). Mit geeigneten Einbauten und einem geeigneten Randverbund sind für das Element als Ganzes Wärmedurchgangskoeffizienten von etwa 0,07 W / (m^{2 0}K) erreichbar. Die wärmedämmenden Eigenschaften des eingesetzten Gases bezüglich der Transmissionswärmeverluste bleiben dabei erhalten bzw. verbessern sich leicht. Für Einbauten zur Verbesserung der Strählungswärmeverluste werden Folien oder plattenförmige Bauteile mit geringem Emissionsvermögen oder mineralische Faserdämmstoffe mit kleinem Raumgewicht gewählt, da hierbei die Abgabe von den Dämmgasfüllgrad verschlechternden Gasen geringer ist als bei Kunststoffschäumen, Schüttungen oder Pulver. Die Faserabstände der Faserdämmstoffe sind analog zum geringen Raumgewicht relativ groß, die Transmissionswärmedämmung verbessert sich also durch den Einbau dieser Faserdämmstoffe nicht wesentlich. Die Vorteile der Anwendung von mineralischen Faserdämmstoffen bestehen in der geringen Wärmeleitfähigkeit über die Fasern selbst, der leichten Einbaubarkeit, der geringeren Gasabgabe und der Nichtbrennbarkeit. Bei Anordnung von Folien oder plattenförmigen Bauteilen mit geringem Emissionsvermögen werden diese annähernd parallel zu den Bauteilhüllen eingebaut. Um die Summe der Wärmeverluste durch Strahlung und Transmission zu minimieren, werden die Folien oder Platten jeweils an der Stelle im Hohlraum platziert, an der die sich durch die Wärmetransmission im Gas einstellende Temperatur mit der sich durch den Strahlungsaustausch einstellenden Oberflächentemperatur der Einbauten übereinstimmt. Der Vorteil liegt bei den in_#den Ansprüchen 1 und 2 genannten Dämmelementen gegenüber konventionellen, mitThe increase in component costs for an insulating element with a cavity thickness of 250 mm is acceptable in relation to the total cost of the component when filled with the extremely poorly heat-conducting gas xenon, at the usual gas prices for xenon and 10mbar gas pressure. The heat transfer coefficient of the gas has an approximate value of 0.022 W / (m ^{2 0} K) for a gas layer thickness of 24 cm. With suitable fittings and a suitable edge seal, heat transfer coefficients of around 0.07 W / (m ^{2 0} K) can be achieved for the element as a whole. The thermal insulation properties of the gas used with regard to transmission heat losses are retained or slightly improved. For installations to improve radiation heat losses, films or plate-shaped components with low emissivity or mineral fiber insulation materials with a low density are selected, as the release of gases that impair the insulation gas filling level is lower than with plastic foams, fills or powders. The fiber spacing of the fiber insulation materials is relatively large in line with the low density, so the transmission thermal insulation is not significantly improved by installing these fiber insulation materials. The advantages of using mineral fiber insulation materials are the low thermal conductivity of the fibers themselves, the ease of installation, the lower gas release and the non-flammability. When arranging films or plate-shaped components with low emissivity, these are installed approximately parallel to the component shells. In order to minimize the sum of heat losses due to radiation and transmission, the films or plates are placed at the point in the cavity where the temperature resulting from the heat transmission in the gas matches the surface temperature of the installations resulting from the radiation exchange. The advantage of the insulation elements mentioned in _# claims 1 and 2 lies in comparison to conventional ones with

Polyurethanschaum gefüllten Sandwichelementen oder mit anderen Kunststoffschäumen angefüllten konventionellen Dämmelementen oder gegenüber den mit mikroporösen Kieselsäurepulvern oder Aerogelen oder mikroporösem XPS gefüllten Vakuumdämmelementen in der stoffinengenmäßigen Einsparung an chemisch hergestellten Füllungen. Die Dämmelemente beinhalten gegenüber den mit Schaumstoffen der organischen Chemie gefüllten konventionellen und Vakuum-Dämmelementen eine geringere Brandlast. ^ Die bei den mit mikroporösen Kieselsäurepulvern gefüllten Vakuumdämmelementen vom Materialpreis beeinflussten Paneeldicken liegen zur Zeit bei etwa 4 cm, was zu einem Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,1 W / ( m^{2 0}K) bei einem Wärmeleitwert von 0,004 W / (m^{2 0}K) führt. Die Lebensdauer dieser Elemente ist nach bisherigen Erfahrungen für die Verwendung als Bauelemente im Hochbau ausreichend, da diese Elemente ihre hohe wärmedämmende Wirkung auch bei einem Anstieg des Innendrucks auf 10 mbar noch beibehalten. Bei den hier gemäß Anspruch 1-5 vorliegenden Elementen ist bei einein Füllgrad von 95 % und einem Anfangsdruck von 10 mbar die Eunktionstüchtigkeit bis zu einem Gasdruckanstieg von ( 1 - 0,95 ) * 10 mbar = 0,5 mbar vorhanden. Ein solcher Druckanstieg wird vorraussichtlich ebenfalls erst nach einer angemessenen Nutzungsdauer erreicht, denn die Gasdichtigkeit des Randverbunds ist aufgrund der größeren Bauelementdicke einfacher herzustellen und die durch Leckagen, Permeation und Desorption einströmenden Gase bewirken wegen des etwa 10-mal größeren Hohlraumyolumens einen geringeren Druckanstieg. Da bei den auf der Dämmwirkung des Füllgases basierenden Dämmelemente im Vergleich zu den auf der Dämmwirkung des Vakuums basierenden Dämmelementen ein weniger hochwertiges Vakuum und kein extrem feinporiges Füllmaterial notwendig ist, kann der Hohlraum bei den erstgenannten Dämmelementen bei einem etwa erfolgtem Druckanstieg viel leichter wieder auf den niedrigen Ausgangsdruck , gebracht werden, das heißt es sind einfachere Vakuumpumpen einsetzbar und der Evakuierungsvorgang ist schneller beendet. Auch hiermit kann, wenn diese Wartung kostengünstig ausführbar ist, die Lebensdauer der Dämmelemente erhöht werden. Da die Gasfüllung Unterdruck hat, treten kaum Gasverluste auf; sondern die Gasfüllung wird verunreinigt. Eine Wiederaufarbeitung von leicht verunreinigtem Krypton oder Xenon ist in der Regel wesentlich preiswerter als die Gewinnung aus natürlichen Vorkommen.Polyurethane foam-filled sandwich elements or conventional insulation elements filled with other plastic foams or vacuum insulation elements filled with microporous silica powders or aerogels or microporous XPS in terms of the material savings in terms of chemically produced fillings. The insulation elements have a lower fire load than conventional and vacuum insulation elements filled with organic chemical foams. ^ The panel thicknesses of vacuum insulation elements filled with microporous silica powders are currently around 4 cm, which is influenced by the price of the material, which leads to a heat transfer coefficient of 0.1 W / (m ^{2 0} K) with a thermal conductivity of 0.004 W / (m ^{2 0} K). Experience to date has shown that the service life of these elements is sufficient for use as building elements in structural engineering, since these elements retain their high heat-insulating effect even when the internal pressure increases to 10 mbar. In the elements according to claims 1-5, the functionality is available up to a gas pressure increase of (1 - 0.95) * 10 mbar = 0.5 mbar at a filling level of 95% and an initial pressure of 10 mbar. Such a pressure increase is also only expected to be achieved after a reasonable period of use, because the gas-tightness of the edge seal is easier to establish due to the greater component thickness and the gases flowing in through leaks, permeation and desorption cause a smaller pressure increase due to the approximately 10 times larger cavity volume. Since the insulating elements based on the insulating effect of the filling gas require a lower quality vacuum and no extremely fine-pored filling material than the insulating elements based on the insulating effect of the vacuum, the hollow space in the former insulation elements can be brought back to the low initial pressure much more easily if the pressure increases, i.e. simpler vacuum pumps can be used and the evacuation process is completed more quickly. This can also increase the service life of the insulating elements if this maintenance can be carried out inexpensively. Since the gas filling is under negative pressure, hardly any gas losses occur; instead, the gas filling becomes contaminated. Reprocessing slightly contaminated krypton or xenon is generally much cheaper than extracting it from natural deposits.

Als Hüllenmaterial für die Dämmelemente eignet sich Glas und Metall. Die Vorteile von Glas sind Transparenz, Gasdichtheit, Oberflächengüte, Festigkeit. Wegen seiner Sprödigkeit und Scharfkantigkeit bedarf es einer Reihe von Sicherheitsvorkehrungen wie zum Beispiel Begrenzung der Hohlraumdicke, Schutz vor äußeren Einwirkungen, Schutz gegen Herabfallen, Verwendung von VSG. Die Vorteile von Metall sind Gasdichtheit, Oberflächengüte, Festigkeit und Zähigkeit. Die Zähigkeit vieler Metallsorten ist für die Sicherheit der Bauelemente von großer Bedeutung. Trotz dem sollte die Konstruktion so beschaffen sein, dass sie durch ein in der Hülle entstandenes Loch nicht in der Weise destabilisiert werden kann, dass Gefahren durch umherfliegende Trümmer auftreten und die Hülle sollte so beschaffen sein, dass sich ein kleiner Riss nicht durch Weiterreißen rasch vergrößern kann. Das wärmedämmende Bauelementnach Anspruch 1 und 2 kann außer für Isolierverglasungen auch für opake Wände und Dächer von Gebäuden und Kühlräumen Anwendung finden.Glass and metal are suitable as casing materials for the insulation elements. The advantages of glass are transparency, gas-tightness, surface quality, strength. Because of its brittleness and sharp edges, a number of safety precautions are required, such as limiting the cavity thickness, protection from external influences, protection against falling, use of laminated safety glass. The advantages of metal are gas-tightness, surface quality, strength and toughness. The toughness of many types of metal is of great importance for the safety of the building elements. Despite this, the construction should be designed in such a way that it cannot be destabilized by a hole in the casing in such a way that there is a danger from flying debris, and the casing should be designed in such a way that a small crack cannot quickly grow larger by tearing further. The heat-insulating building element according to claims 1 and 2 can be used not only for insulating glazing but also for opaque walls and roofs of buildings and cold rooms.

Die Gasbefüllung kann schnell erfolgen und ohne dass Verluste des zur Wärmedämmung eingesetzten Gases infolge einer Vermischung mit dem zunächst im Hohlraum befindlichen Gas ( i.a. Luft) stattfinden. Hierfür wird der Hohlraum zunächst soweit evakuiert, dass durch anschließendes Zugeben einer bestimmten Menge des zur Wärmedämmung eingesetzten Gases der angestrebte Füllgrad und der angestrebte Gasdruck erreicht wird. Ein noch geringerer &igr; Gasdruck bei gleichem Füllgräd bei Einsatz der gleichen Pumpe zur Evakuierung lässt sich durch anschließendes weiteres Abpumpen des nach o.g. Methode im Hohlraum vorliegenden Gasgemischs erreichen. Das abgepumpte Gas kann wegen der geringen Verunreinigung leicht wiederaufbereitet werden.The gas filling can be carried out quickly and without any loss of the gas used for thermal insulation due to mixing with the gas initially in the cavity (usually air). To do this, the cavity is first evacuated to such an extent that the desired filling level and the desired gas pressure are achieved by subsequently adding a certain amount of the gas used for thermal insulation. An even lower gas pressure at the same filling level using the same pump for evacuation can be achieved by subsequently pumping out further the gas mixture present in the cavity using the above-mentioned method. The pumped-out gas can be easily reprocessed due to the low level of contamination.

Claims

1. Thermally insulating component with a cavity ( 1 ) which is enclosed gas-tight on all sides and filled with xenon or krypton, characterized in that an intermediate vacuum with a gas pressure of between 1 Torr and 100 Torr is present in the cavity, and supports ( 6 , 7 ) and components ( 4 , 5 ) which absorb the atmospheric pressure acting on the gas-tight shell ( 2 , 3 ) from all sides and transfer it to the supports, and components ( 8 ) for limiting the radiant heat losses in the form of films or fiber insulation materials are present in the component.

2. Component according to claim 1, characterized in that the gas filling also consists of a gas mixture with a proportion of xenon or krypton which is essential for thermal insulation.