GVI – Eigenschaften und Bauformen
Die herausragenden Eigenschaften der GVI®-Systeme
Die Eigenschaften unterschiedlicher Systeme hängen wesentlich von den verwendeten Werkstoffen (sowohl Hüllmaterial als auch Füllstoff) ab. So lassen sich meist „maßgeschneiderte“ Lösungen für die jeweilige Aufgabenstellung finden. Nachfolgend sind einige grobe Richtwerte für einzelne Eigenschaften aufgeführt.
Anwendungstemperaturen
Grundsätzlich lassen sich GVI®-Systeme für Temperaturen vom absoluten Nullpunkt (s.a. www.kryo-safe.de ) bis hinauf zu Temperaturen von 500° bis 600°C sicher beherrschen – für Sonderanwendungen wurden auch bereits Brennkammern bis 1000°C Anwendungsgrenztemperatur von TEB gebaut – hier gilt es allerdings besonderes Augenmerk auf das Permeationsverhalten der verwendeten Hüllwerkstoffe zu richten (ggf. muß eine zyklische Nachevakuierung vorgesehen werden).
Die heute standardmäßig verfügbaren VIP (Hüllmaterial: Pe-Folien; Kernmaterial: pyrogene Kieselsäure – s.u.) können wegen der verwendeten Hüllmaterialien in einem Temperaturbereich von ca. -40°C bis +70°C eingesetzt werden.
Isolations-/ Dämmeigenschaften
Die Dämmeigenschaften eines einbaufertigen GVI®-Systems hängen sowohl vom Füllmaterial als auch von der Geometrie/ Konstruktion und 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. In Analogie zu den allgemeinen Ausführungen (s.o.) ergibt sich hier 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. In der Tabelle im Abschnitt „Werkstoffe“ sind einige heute erreichbare spezifische Wärmeleitfähigkeiten unterschiedlicher GVI®-Systeme aufgeführt
Im nachfolgenden Bild ist die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit vom Restgasdruck für zwei unterschiedliche Füllstoffe (nanoporöses Pulver und mikroporöses Glasfaserboard) dargestellt. (Die Werte wurden für eine Mitteltemperatur von 350°C ermittelt)
GVI®-Dämmungen für wechselnde Temperaturen
Bei konventionellen Dämmungen kommt es im Betrieb mit wechselnden Temperaturen häufig zu Taupunkts-Unterschreitungen innerhalb der Isolierschicht – und in der Folge zur Durchfeuchtung und Verrottung der Dämmung. Bei GVI®-Systemen können derartige Effekte nicht auftreten, weil die Dämmung hermetisch gekapselt ist. Aus gleichem Grund können auch keine Betriebsstoffe oder schädliche Gase aus dem zu dämmenden Prozeß in die Dämmung eindringen.
Mechanische Eigenschaften von GVI®-Systemen
Bei entsprechender Auslegung weisen gestützte Vakuum-Isolierungen sehr hohe Druckfestigkeit und Steifigkeit auf – vergleichbar mit einem Honeycomb- Sandwich-Element. 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.
Rüttelfestigkeit
Es liegen zahlreiche Erfahrungen von Anwendungen im Automotive-Bereich vor. Solche Isoliergehäuse 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 VIP verwendeten Pulvern (pyrogene Kieselsäure) alle Anforderungen -vor Allem, wenn gleichzeitig hohe Kräfte aufgenommen werden müssen).
Werkstoff-Auswahl
a) 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.
b) Füllwerkstoffe
In der Regel handelt es sich hier um mineralische Werkstoffe mit möglichst niedriger Festkörper-Wärmeleitfähigkeit, sehr geringer Ausgasung, ausreichender Stützfähigkeit und last not least feinporöser Struktur – um eine gute Evakuierbarkeit zu gewährleisten, müssen die Poren offen sein!
Je nach Applikationsform können vorgefertigte Formteile (z.B. Platten, Rohrsegmente etc.) oder rieselfähige Materialien in die doppelwandige Isolierhülle eingebracht werden.
Füllstoffe GVI®
| Silicat-Schaum | Glass-Bubbles | Faserboard | |
| Applikationsform | rieselfähges Granulat | rieselfähiges Pulver | hochfeste Platten u. Formteile |
| Dämmvermögen (bei 300°C) | gut <8 mW/mK | sehr gut <4 mW/mK | sehr gut <3mW/mK |
| erforderlicher Restgasdruck | <0,1 mbar | <<0,1 mbar | < 0,1 mbar |
| Evakuierbarkeit | sehr gut | sehr gut | sehr gut |
| Druckbelastbarkeit | gut | gut | sehr gut |
| Recycling | sehr gut | sehr gut | sehr gut |
| Kosten | sehr niedrig | sehr niedrig | niedrig |
Bauformen
Für gestützte Vakuum-Isolierungen sind 2 unterschiedliche Bauformen bekannt:
a) VIP (vacuum insulated panell)
VIPs sind vorgefertigte flächige Elemente mit denen heute z.B. Kühlgeräte oder auch ganze Hausfronten gedämmt werden können. Die vakuumdichte Hülle besteht bei diesen Bauelementen aus mehrlagigen PE-Folien mit Aluminium-Beschichtung. Mögliche Grenztemperaturen (s.a. Abschnitt Werkstoffe) sind begrenzt und die VIPs müssen gegen Beschädigungen geschützt werden.
Mit anderen Hüllwerkstoffen (z.B. Edelstahl) liegen vor Allem für sehr großflächige Bauteile und extreme Temperaturen Erfahrungen vor (s. nachfolgendes Bild: Kryokabine aus einzelnen Flächenelementen zusammengesetzt).
b) VIC
VIC sind vakuum-insulated cabinets – also mehr oder weniger allseitig umschließende, doppelwandige Behälter. Gegenüber einer aus VIP zusammengesetzten Isolierung sind die Dämmeigenschaften deutlich besser, weil die zahlreichen Wärmebrücken an den Stößen der Einzeelelemente wegfallen. Außerdem sind VIC deutlich widerstandsfähiger gegenüber jeglicher Form von mechanischer Belastung! Mit solchen Gehäusen kann nahezu jede Geometrie erzeugt werden.
Der Aufbau eines VIC ist in der nachfolgenden Skizze dargestellt
