Thermische Randeffekte

Einleitung

Lebensdauer und Wirkungsgrad einer Vakuum Isolations Paneele (VIP) hängen davon ab, inwieweit ihre äußere Sperrschicht oder Umhüllung das Eindringen von Gasen in die Paneele während der Dauer ihrer Verwendung verhindern kann. Hauptkriterium bei der Auswahl eines für eine bestimmte Anwendung geeigneten Barrierematerials ist ein Kompromiss zwischen der Durchlässigkeit des betreffenden Materials, seinen Kosten sowie seinem thermischen Randverhalten. Thermische Randeffekte sind auf einen Bereich in der Umhüllung des Vakuumpaneels zurückzuführen, der durch einen relativ starken Wärmetransport gekennzeichnet ist. Solche Effekte kommen bis zu einem gewissen Grad bei allen Barrierefilmkonstruktionen und Barrierefilmdicken vor. 

Der effektive Wärmedurchgangswert eines VIP’s ist immer etwas höher als der in der Mitte des Paneels gemessene Wert, der von den meisten Herstellern/Lieferanten solcher Paneele als Maßstab für das Isoliervermögen ihrer Erzeugnisse angegeben wird. Er läßt sich nämlich viel leichter messen als die effektive Wärmeleitfähigkeit, die jedoch für die tatsächliche Leistungsfähigkeit des VIP’s bei seiner endgültigen Anwendung maßgebend ist. 

Die auch als thermischer Kurzschluß bezeichneten Randeffekte kommen dadurch zustande, dass das Isolationsvermögen des hochporösen Füllmaterials von Vakuum Isolations Paneelen wesentlich höher ist als das der dichteren Umhüllung. Dieser thermische Randeffekt wird im folgenden schematisch dargestellt. In dieser Abbildung wird die relative Größenordnung des Wärme- oder Energiestroms durch die Größe der Pfeile veranschaulicht. Dieser Strom ist in der Mitte des Paneels am geringsten, was darauf schließen läßt, dass ihr Isolationsvermögen hier am stärksten ausgeprägt ist.

Zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit oder Wärmedämmwirkung der Paneele muss der Wärmestrom über der gesamten Paneeloberfläche integriert oder gemittelt werden. Dieser Parameter hängt vom Eigendämmwert des Kernmaterials, von der Dicke und Zusammensetzung der Umhüllung, den Grenzflächenbedingungen um das VIP und vor allem von der Paneelgröße ab.

Eigenschaften von Barrierematerialien

In der Regel kommen Kunststoffe, metallbeschichtete Kunststoffe (z. B. mit Metallen wie Aluminium bedampfte Kunststoffe), durch Laminieren hergestellte Verbundstoffe aus Metallfolien und Kunststoffen oder verschweißte Metallfolien als Barrierematerialien für Vakuum Isolations Paneele in Betracht. In den meisten Fällen handelt es sich um eine durch Laminieren hergestellte, mehrschichtige Struktur, die dem Film eine ganze Reihe von Eigenschaften verleihen soll (Durchlässigkeit gegenüber Wasser und Gas, Heißverschweißen, mechanische Eigenschaften usw.). Kommt bei solchen Barrierematerialien Metallfolie zur Anwendung, so ist Aluminium wegen seiner Dehnbarkeit, Verfügbarkeit und niedrigen Kosten das Metall der Wahl. Allerdings besitzt Aluminium eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und ist daher auch das Material der Wahl für Kühlrippen auf elektronischen Geräten usw. Tatsächlich ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ca. 1.000 mal höher als diejenige der üblichen, für Sperrschichten verwendeten Kunststoffe und 20.000 mal bis 100.000 mal so hoch wie die Wärmeleitfähigkeit typischer Füllmaterialien für Vakuum Isolations Paneele.

Einfluß des thermischen Randeffekts

Bei 25 mm dicken, quadratischen Vakuumpaneelen verschiedener Seitenlänge läßt sich die Wärmeleitfähigkeit aufgrund der Paneelgröße abschätzen. Dabei geht man von einem Modell für die Grenzflächenbedingungen aus und bestimmt die Wärmeleitfähigkeit des Paneelkerns. In der folgenden Abbildung ist die effektive Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Seitenlänge der quadratischen VIPs für den Fall dargestellt, dass der Paneelkern eine Wärmeleitfähigkeit von 0,036 W/mK (3,6 mW/mK) oder 40 R/in besitzt. Diese Berechnungen wurden für vier verschiedene Barrierematerialien mit Schichten der üblichen Dicke durchgeführt. Der 50µ dicke Kunststoff läßt bei allen in der Praxis vorkommenden Paneelgrößen nur unerhebliche Randeffekte erkennen. 

Bei manchen Kernmaterialien/Füllstoffen, für die ein extrem hohes Vakuum erforderlich ist, zeigen ausschließlich aus Kunststoff bestehende Barriereschichten keine ausreichende Sperrwirkung. Diese Sperrwirkung kann deutlich erhöht werden durch Verwendung von metallisierten Kunststofffolien (mehrlagig), wobei Randeffekte bei Verwendung solcher Folien sehr gering sind. Bei Verwendung solcher Folien, verringern sich die Randeffekte deutlich auch bei Paneelen von unter 150 mm Seitenlänge. Je nach der angestrebten Lebensdauer der Paneele, dem für das Füllmaterial kritischen Druck und der Anzahl und Art der metallisierten Schichten, kann es vorkommen, dass metallisierte Folien keine ausreichenden Barriereeigenschaften aufweisen. Demgegenüber bieten relativ kostengünstige, metallisierte Schutzfolien eine mehr als ausreichende VIP-Lebensdauer, wenn für höhere Drücke geeignete Füllmaterialien zur Anwendung kommen. 

Sind für Materialien, die während der gesamten Lebensdauer der Paneele höchstens Drücke in der Größenordnung von mehreren Millibar ausgesetzt werden dürfen, bessere Barriereeigenschaften erforderlich, so greift man auf Metallfolien zurück. Das dünnste, auf dem Markt befindliche Barrierematerial auf Metall- bzw. Aluminiumfolienbasis ist ca. 7,5µ dick. 

Wie aus der Abbildung zu ersehen ist, hätte eine 300 x 300 x 25 mm große Paneele mit einer solchen Schutzfolie nur 1/3 des Dämmwerts wenn man den Randeffekt berücksichtigt.

Bei einer 500 x 500 x 25 mm großen Paneele wäre der Dämmwert nur halb so groß wie der Dämmwert bei einer Paneele, die keine Randumleitung hätte. Wegen der hohen Herstellungskosten solcher besonders dünner Laminate auf Alufolienbasis, die nur eine sehr geringe Zahl von Pinholes (mikroskopisch kleine Löcher) aufweisen, können auch dickere Folien zur Anwendung kommen, die tatsächlich billiger sind. Normalerweise geht man davon aus, dass die dünnste Folie ohne Pinholes etwa 25µ dick ist. Wie im folgenden gezeigt wird, sind solche dickeren Folien wegen ihrer Randeffekte praktisch unbrauchbar.

Diese Ergebnisse lassen deutlich erkennen, dass sich der Wirkungsgrad von Vakuum Isolations Paneelen bei der Anwendung durch den Endverbraucher gegenüber herkömmlichen Isolationsmethoden nur durch Verwendung von Barrierefolien aus Kunststoff oder aus metallalisierten Kunststoffen erheblich verbessern läßt. Bei anderen Grenzflächenbedingungen oder bei Füllmaterialien mit einer anderen Eigenwärmeleitfähigkeit würden die oben dargestellten Ergebnisse etwas anders ausfallen. Am allgemeinen Trend würde sich aber nichts ändern. Bei der Wahl von Füllstoffen und Barrierematerialien für Vakuumpaneele müssen also die Einflüsse des Barrierematerials auf das Isolationsvermögen, auf die Lebensdauer der Paneele und auf ihre Gesamtkosten abgewogen werden.