Die Erfindung betrifft ein Vakuum-Isolations Paneel (VIP) mit einem auf Drücke kleiner als 1 mbar evakuiertem grossporigem Kern und langzeitig dichter Vakuum- hülle.

Vakuumpaneele mit folienartiger Hülle benötigen einen druckfesten Kern. Das Kernmaterial muss einen niedrigen Wärmeleitwert aufweisen, gut evakuierbar sein, d. h. es muss offenporig sein und einen möglichst geringen Anteil geschlossener oder fast geschlossener Poren haben, ein geringes Ausgasverhalten aufweisen, einen möglichst kleinen mittleren Durchmesser der Poren besitzen, damit bei möglichst geringen Unterdrücken Wärmeleitwerte im Bereich um 5 mW/m°K erreicht werden.

Die Wünschbarkeit möglichst geringer Unterdrücke-also vorzugsweise das nicht Unterschreiten des sogenannten Grobvakuumbereichs (1 mbar-1000 mbar)-ist nicht wegen des etwas geringeren Aufwandes zur Erzeugung dieser Unterdrücke wichtig, sondern es vereinfacht die Erhaltung des Unterdruckes über die am Bau geforderte, sehr hohe"Lebensdauer"des Vakuums von ca. 50 Jahren. Bei erforderli- chen Unterdrücken im Grobvakuumbereich kann hierfür mit mehrlagigen Kunststoff- folien gearbeitet werden, die sehr dünne, aufgedampfte Schichten von Aluminium mit einer totalen Dicke von ca. 0.3 um beinhalten. Dieser geringe Metallanteil in der Hülle stellt eine kleine Wärmeleitung entlang der Hüllmaterialien sicher, was vor allem bei Paneelen mit kleinen lateralen Abmessungen (> ca. 50 cm) grosse Bedeu- tung hat.

Die einzigen momentan bekannten Kernmaterialien welche alle geschilderten Forde- rungen erfüllen, sind die sogenannten nanoporösen Materialien, die beispielsweise 5 von den Firmen Wacker, Degussa und Cabot angeboten werden. Diese Firmen bieten auch umhüllte und evakuierte Paneele am Markt an, die den gewünschten niedrigen Wärmeleitwertbesitzen.

Sie weisen allerdings den Nachteil eines hohen Preises auf, so dass ihr Einsatz als allgemeines Isolationsmaterial am Bau der Wirtschaftlichkeit wegen in Frage gestellt 10 ist.

Das"nächst schlechtere"bekannte Kernmaterial ist eine druckfeste, nicht ausgasende Glaswolle, welche die drei ersten Forderungen genau so gut erfüllt wie die nanoporö- sen Materialien und wesentlich weniger kostet als diese. Wegen der bedeutend grös- seren inneren Zwischenräume (die im weiteren als Poren bezeichnet werden) muss 15 aber Glaswolle-und andere Isolationsmaterialien mit grossen offenen Poren wie z. B.

XPS-bis in den sogenannten Feinvakuumbereich (10-3 mbar-1 mbar) evakuiert werden, damit die angestrebten Wärmeleitwerte im Bereich um 5 mW/m°K erreicht werden. Die langzeitige Einhaltung dieser Unterdrücke wäre dann kein Problem, wenn die Hülle einen wesentlich höheren Metallanteil (Metalldicke > einige llm) 20 aufweisen dürfte. Ohne spezielle konstruktive Massnahmen verbietet sich dies aber wegen der hohen resultierenden Wärmeleitung in der Hülle, welche die effektive Wärmeleitung des gesamten Paneels drastisch erhöhen kann. So ist beispielsweise aus der Publikation des schweizerischen Bundesamtes für Energie"Hochleistungs- Wärmedämmung"vom Dezember 2000 bekannt, dass VIP mit nanoporösem Kern, 25 die mit einer, eine ca. 7 llm dicke Aluminium-Folie beinhaltenden Kunststoff-Ver- bundhülle umgeben sind, unterhalb einer Kantenlänge von ca. 50 cm effektive Ge- samtwärmeleitwerte von grösser als 20 mW/m°K aufweisen.

Dem vorliegende Patent liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Vakuum-Isolations Paneel (VIP) mit grossporigem Kern zur Verfügung zu stellen, dessen Umhüllung so 5 aufgebaut ist, dass erstens eine genügende hohe"Lebensdauer"des notwendigen Feinvakuums von durchschnittlich 50 Jahren und darüber sichergestellt ist und dass zweitens eine so geringe Wärmeleitung entlang der Hülle realisiert ist, dass der ef- fektive Gesamtwärmeleitwert eines Paneels mit Kantenlänge bis hinunter zu 20 cm unterhalb von 10 mW/m°K bleibt.

10 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen angegebe- nen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich nach den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.

Das erfindungsgemässe VIP weist einen Aufbau auf, der dem in der Vakuumtechnik bekannten Doppelkammerprinzip entspricht, bei dem eine innere Tiefdruck-Vaku- 15 umkammer umgeben ist von einer äusseren Vakuumkammer in welcher Grobva- kuum herrscht. Das VIP nach dem Doppelkammerprinzip weist einen (z. B. 1 bis 5 cm dicken) auf beispielsweise 10-3 mbar evakuierten Kern aus druckfestem grosspo- rigem Material auf, welcher von einer inneren gasdichten Folie umgeben ist. Dieser innere Aufbau ist umgeben von einer zweiten, auf ca. 1 mbar evakuierten, dünnen 20 Schicht Kemmaterial, welche wiederum umhüllt ist mit einer äusseren gasdichten Folie. Wenn man zulässt, dass der Druck innerhalb der äusseren Kammer im Lauf von ca. 50 Jahren auf ca. 100 mbar zunimmt, kann für die äussere Folie eine preis- werte Folie auf Kunststoffbasis verwendet werden, die nur eine sehr dünne Schicht (in der Grössenordnung von 0.1 um) Metall aufweist. Dadurch kann entlang der äus- 25 seren Hülle eine vernachlässigbar kleine Wärmeleitung sichergestellt werden.

Da die Druckdifferenz zwischen der äusseren und der inneren Vakuumkammer bei den obigen Annahmen im Mittel nur ca. 10 mbar beträgt und da die Menge des durch eine gegebene Hülle diffundierenden Gases umgekehrt proportional zur Druckdiffe- renz ist, darf die innere Hülle bezüglich der Gasdiffusion um einen Faktor 100 "schlechter"sein als im Falle eines Einkammer-Vakuums. Dies erlaubt es, für die innere Hülle sehr preiswerte Kunststofffolien zu verwenden, welche entweder gar kein oder nur sehr wenig Metall aufweisen.

Da die äussere Vakuumkammer, je nach Aufbau, eine zwar dünne aber doch sehr wirksame Wärmeisolation darstellen kann und damit eine hohe Wäremleitung ent- lang der inneren Hülle gesamthaft vernachlässigbar wird, ist es auch denkbar eine innere Hülle zu verwenden, die beispielsweise als marktübliche Kunststoffverbund- folie aufgebaut ist, die beispielsweise eine 25 gm dicke Aluminiumschicht beinhal- tet. Bei einem solchen Aufbau kann die Erhaltung des in der inneren Kammer herr- schenden Druckes von kleiner als 10-1 mbar über Zeiträume in der Grössenordnung von 100 Jahren gewährleistet werden.

Da unterschiedliche Hüllfolien gegenüber unterschiedlichen Gasen besonders wirk- sam sind kann mit dem Doppelkammerprinzip eine weitere Verbesserung realisiert werden. Es ist nämlich möglich beispielsweise für die äussere Folie eine Material- kombination zu verwenden welche für die Gase O2, N2, CO2 usw. eine knapp genü- gende Diffusionssperre darstellt aber für Wasserdampf absolut undurchlässig ist. Die innere Hülle kann dann bezüglich Oz, N2, CO2 usw. optimiert werden und muss auf Wasserdampf keine Rücksicht mehr nehmen.

Ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel wie auch weitere Vorteile der Erfin- dung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 einem Schnitt durch ein VIP nach dem Doppelkammerprinzip Fig. 2 ein mögliches Preis/Leistungs-Szenario in einigen Jahren Ein erster, möglichst preiswerter Aufbau des VIP nach dem Doppelkammerprinzip mit genügend hoher Lebensdauer beinhaltet, wie in Fig. 1 gezeigt, einen inneren Kern aus druckfester, unter Vakuum bei Temperaturen bis zu 100°C nicht ausgasen- der Glaswolle (1), welcher das eigentliche Isolationsvolumen des VIP sicherstellt.

Selbstverständlich kann der innere Kern auch aus einem anderen geeigneten Material wie z. B. extrudiertem Polystyrol (XPS) bestehen, bei dem dann allerdings des Aus- gasens wegen ein entsprechender Getter vorhanden sein muss. Zur Erreichung der angestrebten niedrigen Wärmeleitfähigkeit des evakuierten Kernes im Bereich von 5 3 mW/m°K wird dieser Kern auf ca. 10-3 mbar evakuiert und in eine innere gas- dichte Verbundfolie (2) eingeschweisst. Die Dicke des inneren Kerns (1) richtet sich anwendungsbedingt nach dem einzuhaltenden Wärmedurchgang der üblicherweise in W/m2K angegeben wird. Bei einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 4 mW/m°K und ei- nem einzuhaltenden Wärmedurchgang von ca. 0.2 W/m2K ergibt sich beispielsweise eine Dicke des inneren Kerns (1) von ca. 2 bis 3 cm.

Die innere Folie (2) ist beispielsweise eine 100 um dicke PE-Folie auf die beispiels- weise eine ca. 0.1 um dicke Aluminiumschicht aufgedampft oder aufgesputtert ist.

Die PE-Folie wirkt als verschweissbare Trägerschicht während die Aluminium Schicht bei dem innerhalb des äusseren Kernmaterials (3) wirkenden mittleren Druck von ca. 10 mbar eine wirksame Diffusionssperre für O2, N2, CÜ2 usw. bildet.

Die innere Hülle (2) ist umgeben von einem beispielsweise 5 mm dicken Glaswol- levlies welches den äusseren Kern (3) bildet. Der äussere Kern (3) wird auf ca. 1

mbar evakuiert und, selbstverständlich zusammen mit der inneren Kammer (1) + (2) welche er umhüllt, in eine äussere gasdichte Hüllfolie (4) eingeschweisst. Im Laufe von ca. 50 Jahren darf sich der Druck innerhalb der äusseren Kammer (3) + (4) auf ca.

100 mbar erhöhen. Der äussere Kern (3) dürfte ohne die gewünschte Wirkung zu verlieren unter dem auf ihn wirkenden anfänglichen Druck von ca. 999 mbar auf wenige 0.01 mm zusammengepresst werden. Bei Verwendung eines Glasvlieses wird seine Dicke im zusammengepressten Zustand aber mindestens einige 0.1 mm betra- gen.

Die äussere Hülle (4) ist ein Folienverbund mit beispielsweise einer als verschweiss- bare Schicht wirkenden, ca. 50 Rm dicken PE-Schicht, einer als Diffusionssperre gegen 02, N2, C°2 usw. wirkenden, beispielsweise 0,1 ujn dickem aufgedampften Aluminium-Schicht und einer als Diffusionssperre gegen Wasserdampf wirkenden PET-Schicht.

Ein zweiter für höchste Zuverlässigkeit ausgelegter Aufbau des VIP nach dem Dop- pelkammerprinzip beinhaltet wiederum wie in Fig. 1 gezeigt, einen inneren Kern aus druckfester, unter Vakuum bei Temperaturen bis zu 100°C nicht ausgasender Glas- wolle (1), welcher das eigentliche Isolationsvolumen des VIP sicherstellt. Zur Errei- chung der angestrebten niedrigen Wärmeleitfähigkeit des evakuierten Kemes im Bereich von 5 3 mW/m°K wird dieser Kern auf ca. 10-3 mbar evakuiert und in eine innere gasdichte Hülle (2) eingeschweisst.

Die innere Hülle (2) ist als Verbundfolie aufgebaut, die beispielsweise aus einer, als Trägerschicht und als verschweissbare Schicht wirkenden ca. 100 um dicken PE- Folie und einer auflaminierten ca. 10-50 um dicken Aluminium-Folie besteht. Es ist bekannt, dass Aluminiumfolien von ca. 25 um Dicke ohne grossen Aufwand ab- solut Pinhole frei hergestellt werden können und so eine Diffusionssperre für Oz, N2, CO ? usw. bilden mit der Drücke im Feinvakuumbereich (10-3-1 mbar) theoretisch über Jahrhunderte aufrecht erhalten werden können.

Der äussere Kern (3) besteht in diesem Falle aus einer wenige mm dicken Schicht aus nanoporösem Material, das beispielsweise auf 1 mbar evakuiert und in eine äu- 5 ssere Hüllfolie (4) eingeschweisst wird. Nanoporöse Materialien, die auf einen Druck von kleiner als ca. 100 mbar evakuiert wurden, weisen einen Wärmeleitwert in der Grössenordnung von 5 mW/m°K auf. Aus diesem Grund bildet die äussere Kammer (3) + (4) nicht nur eine die Lebensdauer des in der inneren Kammer (1) + (2) herr- schenden Feinvakuums nochmals drastisch erhöhendes Grobvakuum, sondern stellt 10 eine sehr wirksame Wärmedämmschicht dar, welche die erhöhte Wärmeleitfähigkeit der inneren Hülle (2) kompensiert.

Die äussere Hülle (4) besteht aus einer handelsüblichen mehrlagigen Kunststofffolie, die sehr dünne, aufgedampfte Schichten von Aluminium mit einer totalen Dicke von ca. 0. 3 Fm beinhaltet und so den in der äusseren Kammer (3) + (4) gewünschten 15 Druck von kleiner als 100 mbar über hohe Zeiträume aufrecht erhält.

Fig. 2 verdeutlicht ein mögliches Preis/Leistungs-Szenario einiger VIP Varianten in einigen Jahren.

Es wird deutlich, dass ein-gemäss der oben geschilderten ersten Ausführungsvari- ante-nach dem Doppelkammerprinzip möglichst kostengünstig aufgebautes VIP mit 20 grossporigem Kernmaterial bei genügender Lebensdauer mit einiger Wahrschein- lichkeit sowohl für einen Wärmedurchgang von 0.2 W/M2 K wie auch für einen von 0.1 W/m2K deutlich preiswerter sein sollte als ein Ein-Hüllen-VIP mit nanoporösem Kern.

Ein-gemäss der oben geschilderten zweiten Ausführungsvariante-bezüglich Va- kuum-Lebensdauer optimiertes VIP mit grossporigem Kern nach dem Doppelkam- merprinzip wird bei deutlich gesteigerter Lebensdauer für einen Wärmedurchgang von 0.2 W/M2 K vermutlich leicht teurer sein als ein VIP mit nanoporösem Kern, aber für einen Wärmedurchgang von 0.1 W/M2 K einen deutlichen Preisvorteil aufweisen.

Es ist offensichtlich, dass ähnliche Aufbauten mit ähnlich guten Eigenschaften mit- tels anderer grossporiger Kernmaterialien und anderer Hüllmaterialen aufgebaut werden können.

Selbstverständlich könnte als Material für den inneren Kern (1) auch ein nanoporöses Material verwendet werden, was aber wegen des Preises und des für die Wirksamkeit dieser Materialien notwendigen"hohen"zulässigen Druckes (> maximal 100 mbar) keinen Sinn macht.