Schon 1910 hatte Physiker Marian von Smoluchowski nachgewiesen, dass Gasmoleküle in der Nähe von Gefäßwandungen ihre normale Beweglichkeit verlieren und somit auch die Temperatur schwankt. So konnte er vor mehr als 100 Jahren den Grundstein für die gestützte Vakuum-Isolierung legen.
GVI®-Systeme bestehen aus einer doppelwandigen, vakuumdichten Hüllstruktur, die evakuiert wird. Doch sie unterscheiden sich dennoch deutlich von Vorgänger-Lösungen: Der Isolationsraum ist vollständig mit einem mikroporösen, oft sogar nanoporösen Füllmaterial ausgefüllt. Der Vakuum-Effekt tritt so bereits bei einem sehr geringen Gasdruck ein.
Darüber hinaus hat der Füllstoff in diesen Vakuum-Isolierungen eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Stützfunktion: Die Dämmungen sind enorm druckbelastbar, Stützelemente werden obsolet. Daraus, sowie auch aus den geringen Vakuum-Anforderungen, ergeben sich erhebliche Kostenvorteile von GVI®-Systemen gegenüber klassischen Multi-Layer-Systemen.
Die GVI®-Technologie bedient sich des Prinzips der Thermoskanne – und macht es noch besser!
VIPs sind vorgefertigte, flächige Elemente, mit denen heute zum Beispiel Kühlgeräte oder auch ganze Hausfronten gedämmt werden können. Die vakuumdichte Hülle besteht bei diesen Bauelementen aus mehrlagigen PE-Folien mit Aluminium-Beschichtung. Aufgrund der Grenztemperaturen müssen VIPs gegen Beschädigungen geschützt werden.
Mit anderen Hüllwerkstoffen wie beispielsweise Edelstahl liegen vor allem für sehr großflächige Bauteile und extreme Temperaturen Erfahrungen vor. Das Bild zeigt zum Beispiel eine Kryo-Kabine, die für Tiefkälte aus einzelnen Flächenelementen zusammengesetzt wurde.
VICs sind Vacuum-Insulated Cabinets – also mehr oder weniger allseitig umschließende, doppelwandige Behälter. Mit solchen Gehäusen kann nahezu jede Geometrie erzeugt werden. Gegenüber einer aus VIP zusammengesetzten Isolierung sind zudem die Dämmeigenschaften deutlich besser, da die zahlreichen Wärmebrücken an den Stößen der Einzelelemente wegfallen. Außerdem sind VICs deutlich widerstandsfähiger gegenüber jeglicher Form mechanischer Belastung.
Die Dämmeigenschaften eines einbaufertigen GVI®-Systems hängen sowohl vom Füllmaterial als auch von der Konstruktion sowie den verwendeten Hüllmaterialien ab. Systembedingt bildet das Hüllmaterial immer irgendwo eine Verbindung von der warmen zur kalten Bauteilseite. Wegen der erhöhten Festkörper-Wärmeleitung sollten diese Wärmebrücken besonders sorgfältig durchdacht und konstruiert werden, um die Gesamt-Wärmeverluste fachgerecht zu minimieren.
Die Wärmeverluste über die (ungestörten) vakuum-isolierten Flächen hängen vom verwendeten Füllmaterial ab. Hier ergibt sich ein grundsätzlicher Zusammenhang zwischen Mikroporosität, Restgasdruck und Festkörper-Anteil. Je feinporiger der Füllstoff ist, um so höher ist der zulässige Restgasdruck angesiedelt. Bei grobporösen Werkstoffen sind häufig auch die Zellwände dicker. Bei entsprechenden Werkstoffeigenschaften (spezifische Wärmeleitfähigkeit) fällt dann auch die Gesamt-Wärmeleitung des Systems höher aus.
Hüllmaterialien
Standardmäßig verwenden wir für GVI®-Systeme metallische Hüllmaterialien. Aufgrund der relativ niedrigen spezifischen Wärmeleitfähigkeit, der hohen Festigkeit und der guten Schweißbarkeit bieten austenitische Edelstähle besondere Vorteile. Andere Werkstoffe wie die Leichtmetalle Aluminium oder Magnesium bieten vor allem für extreme Leichtbau-Applikationen Vorteile.
Bei geringeren Temperaturbelastungen werden gerne auch organische (Leichtbau-)Werkstoffe eingesetzt: Großflächige Behälter lassen sich aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) herstellen; nach unseren Erfahrungen sind solche Gehäuse bei sachgerechter Auswahl des Matrix-Harzes ausreichend vakuumdicht.
Füllwerkstoffe
In der Regel handelt es sich hier um mineralische Werkstoffe mit möglichst niedriger Festkörper-Wärmeleitfähigkeit, sehr geringer Ausgasung, ausreichender Stützfähigkeit und feinporöser Struktur. Um eine gute Evakuierbarkeit zu gewährleisten, müssen die Poren offen sein.
Je nach Applikationsform können vorgefertigte Formteile wie Platten oder Rohrsegmente oder rieselfähige Materialien in die doppelwandige Isolierhülle eingebracht werden.
Bei entsprechender Auslegung weisen gestützte Vakuum-Isolierungen sehr hohe Druckfestigkeit und Steifigkeit auf. Durch die Wahl der Hüllmaterial-Dicke sowie die gesamte Konstruktion lässt sich dieser Effekt beeinflussen. Die Druckfestigkeit hängt außerdem von den jeweiligen Eigenschaften des Kernmaterials ab.
Es liegen zahlreiche Erfahrungen von Isolier-Anwendungen im Automotive-Bereich vor. Diese sind starken Schwingungs- und Rüttelbelastungen ausgesetzt, die vorrangig vom Füllmaterial ertragen werden müssen. Bei entsprechender Auslegung ist das problemlos möglich.
Die von uns verwendeten Faserboards erfüllen gegenüber den im klassischen VIPs verwendeten Pulvern alle Anforderungen – insbesondere, wenn gleichzeitig hohe Kräfte aufgenommen werden müssen.
