Isolationsvermögen u. Lebensdauer

Isolationsvermögen und Lebensdauer von Vakuum Isolations Paneelen hängen von einer ganzen Reihe von Faktoren ab. Vor allem kommen in Betracht:

Eigenschaften der Kernmaterialien

Zu den heute handelsüblichen VIP-Materialien gehören offenzellige Polystyrol- und Polyurethanschäume sowie hochdisperses Silikapulver. Bei allen Vakuum Isolations Paneelen wird eine geringe Wärmeleitung durch ein hohes Vakuum erreicht. Das hochdisperse Silikapulver weist jedoch eine geringere Wärmeleitung als alle anderen Füllstoffe auf, auch bei höheren Drücken. Schwächt sich das Vakuum in der Umhüllung ab, nimmt die Wärmeleitfähigkeit zu. Das Verhältnis zwischen Anstieg des Innendrucks und Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ist allerdings von einem Füllstoff zum anderen völlig verschieden. Die nachfolgende Abbildung zeigt einen Vergleich zur Wirkung des ansteigenden Innendrucks auf Porextherms mit hochdispersem Silikapulver gefüllten Vacupor® - Vakuum Isolations Paneelen und auf Paneele, die mit anderen Kernmaterialien hergestellt wurden.

Man beachte, daß alle Füllstoffe im höchsten Vakuum ein sehr gutes Isoliervermögen aufweisen. Schon bei einem leichten Anstieg des Innendrucks sind aber drastische Unterschiede zu erkennen. Ein Rückgang des Wirkungsgrads tritt am deutlichsten bei Schäumen in Erscheinung, so daß sie vielfach nur für Anwendungen geeignet sind, bei denen eine kürzere Lebensdauer (< 5 Jahre) ausreichend ist.

 

Anfängliches Vakuum

Vakuum Isolations Paneele behalten über die Zeit kein „perfektes Vakuum“. Porextherms Vacupor®-Paneele werden auf < 1,5 mbar (1,13 Torr) evakuiert, während andere Kernmaterialien einen Anfangsdruck von ca. 0,067 mbar (0,05 Torr) aufweisen. Eine weitergehende Evakuierung der Paneele hat eine erhebliche Steigerung der Herstellungskosten zur Folge. In den meisten Fällen läßt sich auf diese Weise kein höherer Dämmwert erreichen. Bei der Evakuierung werden normalerweise die genannten Innendrücke angestrebt.

Dennoch entsteht bei Veränderungen im Herstellungsverfahren manchmal nur ein Teilvakuum. Paneele, die von Anfang an einen höheren Innendruck aufweisen, haben eine entsprechend kürzere effektive Lebensdauer als anderweitig identische Paneele, die gründlicher evakuiert wurden. Höchste Qualität sowohl bei der Evakuierung als auch beim Prozeß der Versiegelung sind deshalb enorm wichtig.

 

Permeationsraten von Barrierefolien

Die Barrierefolie ist das Material, aus dem die Wände der VIPs bestehen. In alle Barrierefolien dringen im Laufe der Zeit einige Gasmoleküle und eine gewisse Feuchtigkeitsmenge ein. Die Durchlässigkeit der Folien hängt davon ab, aus welchem Material sie bestehen und wie sie sich beim Handling im Produktionsprozeß verhalten. Bei manchen Folien wird ein sehr dünner Metallfilm (gewöhnlich aus Aluminium) durch beidseitiges Beschichten mit einer Kunststoff-Folie verstärkt. Solche Folien besitzen hervorragende Barriereeigenschaften haben jedoch mit ihrer hohen Eigenleitfähigkeit den Nachteil einer hohen Randumleitung. Solche „Randeffekte“ auch „edge effects“ genannt, können zu einer erheblichen Einschränkung der Dämmwirkung eines VIP’s führen. (Dieses Thema wird in unserem Technischen Bulletin über „Thermische Randeffekte“ näher erläutert.) Um diese Randeffekte zu vermeiden, werden metallisierte Verbundfolien eingesetzt, die eine sehr hohe Barrierewirkung bei gleichzeiting sehr geringer Wärmeleitzahl aufweisen.

Näheres zu ihren Eigenschaften und Hinweise zur Wahl solcher Materialien sind dem Technischen Bulletin „Auswahl von Barrierematerialien“ zu entnehmen. Die Barrierefolien werden zur Herstellung einer Hülle für das Kernmaterial an den Rändern verschweißt. Auf ihre Innenseite wird eine dünne Schicht Tieftemperaturkunststoff aufgebracht, damit sie unter Einwirkung von Wärme und Druck versiegelt werden können. Solche Schichten aus heißsiegelfähigem Kunststoff sind gegenüber Gas und Feuchtigkeit durchlässiger als die übrige Folie. Um die negative Auswirkung der Durchlässigkeit der Versiegelungsschicht auf ein Mindestmaß einzuschränken, wird bei der Herstellung ein möglichst dünner Film (30 – 70 mm LDPE) verwendet. Eine Siegelnahtbreite zwischen 8 – 15 mm stellt dabei eine optimale Festigkeit und Dichtheit der Siegelnaht sicher.

Gettermaterialien und Trocknungsmittel

Getter sind Chemikalien, die Gase absorbieren. Trocknungsmittel sind Chemikalien, die Feuchtigkeit absorbieren. Getter und Trocknungsmittel sollen durch Absorption von Gasmolekülen und Feuchtigkeit, welche die Wärmeübertragung im evakuierten Raum fördern, eine längere Lebensdauer des VIP bewirken. Sie sind nur wirksam, wenn sie auf die Art und Menge der zu absorbierenden Gasmoleküle/Feuchtigkeit sorgfältig abgestimmt sind. Auch bei den niedrigen Drücken in den Vakuum Isolations Paneelen müssen sie in der Lage sein, Gase und Feuchtigkeit wirksam zu absorbieren und zu binden.

Aus diesem Grund muss bei der Wahl der Menge und Art von Gettermaterialien und Trocknungsmitteln unbedingt das verwendete Kernmaterial, die jeweilige Barrierefolie und die erforderliche Lebensdauer in Betracht gezogen werden. Bei Vakuum Isolations Paneelen auf Schaumbasis besitzt das Kernmaterial keinerlei Absorptionsvermögen. Deshalb müssen Getter und Trocknungsmittel zusätzlich in die Umhüllung eingebracht werden. Bei den Vacupor®-Paneelen stellt hochdisperes Silikapulver ein natürliches Trocknungsmittel dar. Getter sind auch für eine längere Lebensdauer (10 – 20 Jahre) nicht erforderlich, sofern geeignete Barrierefolien Verwendung finden. Durch den Zusatz von Gettermaterialien können sich die Herstellungskosten von Vakuum Isolations Paneelen wesentlich erhöhen. Der Schwermetallgehalt solcher Substanzen kann erhebliche Sicherheits- und Umweltschutzprobleme schaffen. Darüber hinaus sind solche Materialien physiologisch bedenklich.

Ausgasung

Die meisten Materialien geben unter der Einwirkung niedriger Drücke Gas ab (Ausgasung). Art und Menge der freigesetzten Gase sowie Dauer der Ausgasung sind von Material zu Material verschieden. Die freigesetzten Gase können zu einer Erhöhung des Innendrucks des VIP (also zu einer Schwächung des Vakuums) wesentlich beitragen. In manchen Fällen wird von Kernmaterial und Membran mehr Gas abgegeben als durch die Membran in die VIP gelangt.

Bei Porextherm’s® Vacupor® findet keinerlei Ausgasung statt. Bei anderen Materialien hört sie nie auf. Welche Auswirkungen dieser Vorgang auf die Lebensdauer der VIP hat, hängt von den von der Herstellerfirma verwendeten Kern- und Barrierematerialien ab.

 

Größe und Dicke

Durch die Barrierefolie und das Versiegelungsmaterial, das die einzelnen Filmschichten miteinander verbindet, können Gasmoleküle eindringen. Je größer das VIP, um so kleiner ist das Verhältnis „Folienoberfläche/verschweißte Fläche“. Je kleiner das VIP, um so größer ist das Verhältnis „Folienoberfläche/ verschweißte Fläche“. Bei der Wahl eines Barrierematerials ist daher darauf zu achten, dass sowohl die Sperrfolie als auch das Versiegelungsmittel für die Art und Größe des betreffenden VIP’s geeignet sind. Die Dicke des VIP’s hat einen viel größeren Einfluß auf seinen Wirkungsgrad.

Bei halber Dicke halbiert sich auch seine Lebensdauer, weil die Folienoberfläche und die verschweißte Fläche fast gleich bleiben, während das Isoliervolumen nur mehr halb so groß ist. Damit verdoppelt sich der Gasdruck wegen des geringeren Volumens, obwohl sich an der Durchlässigkeit der Versiegelung und der Folie fast nichts ändert.

 

Anwendungsbedingungen

Die Anwendungsbedingungen spielen für die Verwendbarkeit und Lebensdauer von Vakuum Isolations Paneelen eine wichtige Rolle. Unter Verwendbarkeit ist die Eignung der Platte für ein bestimmtes betriebliches Umfeld zu verstehen. Schäume sind Kunststoffe und können daher nur in einem begrenzten Temperaturbereich Verwendung finden. Außerhalb dieses Bereichs kann es zu Schwund und Verformungen kommen, so daß die Paneele praktisch unbrauchbar wird. Die obere Temperaturgrenze für Polystyrolschäume beträgt zum Beispiel 88°C (190°F). Daher kommen solche Materialien für Heißwassererzeuger und für Vorrichtungen zur Ausgabe heißer Nahrungsmittel nicht in Betracht. Porextherms Vacupor®- Kernmaterial kann mit geeigneten Sperrfolien (z. B. Edelstahlfolien1)) bis 950°C (1742°F) eingesetzt werden.

Die Lebensdauer von Vakuum Isolations Paneele wird durch die jeweiligen Betriebsbedingungen beeinflußt, weil die Durchlässigkeit der Sperrfolie und der Versiegelung gegenüber Wasserdampf und Gasen temperaturabhängig ist. Höhere Temperaturen fördern das Eindringen von Wasserdampf und Gasen, während niedrige Temperaturen die Permeation durch die Folie verlangsamen. Ferner steigt die Konzentration eines Gases im VIP mit der Konzentration im Umfeld der Platte. Damit erhöht sich auch die Wirkung des Gases auf die Wärmeübertragung. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner das Gasmolekül, um so rascher gelangt es in die Platte und um so größer ist sein Einfluß auf deren Wärmeleitfähigkeit.

Wird zum Beispiel ein Vakuum Paneel mit Polyurethanschaum eingeschäumt, wie es die zur Zeit gängige Methode im Bereich der Haushaltskühlgeräte ist, so wird die Lebensdauer der VIP´s deshalb verlängert, weil nur großvolumige Gasmoleküle des Treibmittels das Paneel umgeben und aufgrund ihrer Größe nur sehr schwer durch die Umhüllung penetrieren können. Sollte ein Molekül dieser Größe dennoch in das Paneel eingedrungen sein, ist ein Energietransport durch solche Moleküle in einem mikroporösen System deutlich geringer, da die Porengröße im mikroporösen System kleiner ist als die mittlere freie Weglänge dieser Moleküle. Das heißt, solche Moleküle sind dann in ihrer Bewegungsfreiheit gehemmt und können damit so gut wie keine Energie übertragen. Umgekehrtes gilt für Wasserdampf: Je größer die Luftfeuchte im Umfeld der Platte, um so mehr Feuchtigkeit gelangt in das VIP. Aufgrund der hohen Absorptionskraft des Kernmaterials für Feuchtigkeit (Getterwirkung) wird diese eingedrungene Feuchtigkeit durch das mikroporöse Kernmaterial absorbiert, also gebunden bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Durch die hohe Getterwirkung des Kernmaterials bewirkt eingedrungene Feuchtigkeit bis zu einer bestimmten Menge (ca. 7 Gew. %) keine Druckerhöhung in der Paneele.

1) Edelstahlumhüllungen werden von Porextherm nicht angeboten. Bezugsquellen können wir Ihnen auf Anfrage gerne nennen.

 

Zusammenfassung

Die Isolation mit Vakuumpaneelen stellt in einer Reihe von Anwendungsbereichen ein anerkanntes technisches Verfahren dar. Zu diesen Bereichen gehören temperaturgeregelte Transportverpackungen sowie Gewerbe- und Haushaltskühlschränke. VIP´s eignen sich aber für alle Anwendungen, bei denen Volumengewinn, bessere Temperaturregelung, längere Versandzeiten, Verringerung des Frachtvolumens und Versandgewichts oder eine Steigerung des energetischen Wirkungsgrads angestrebt wird. Vakuum Isolations Paneele wie zum Beispiel Vacupor® sind in verschiedenen Formen lieferbar (flach, gewölbt, rund) und ermöglichen somit große Flexibilität bei der Gestaltung Ihrer Produkte. Dennoch stellen sie gewöhnlich keine vorgefertigte Lösung dar, so dass gewisse Veränderungen Ihres Systems erforderlich sein können, um eine maximale Wirkung zu erzielen. Porextherm verfügt über umfangreiche Erfahrung und technische Ressourcen, und kann Ihnen daher bei der Ermittlung des optimalen Einsatzes der Paneele in Ihrem Anwendungsbereich behilflich sein.