Welchen Vorteil bieten Vakuum-Isolierungen?

Die sehr guten Dämmeigenschaften eines Vakuums sind jedem (vielleicht auch nur unbewußt)  aus dem täglichen Gebrauch bekannt: die sogenannten Thermosgefäße halten Getränke und Speisen über lange Zeiten warm bzw. kalt.

Das eigentliche Isoliergefäß ist als doppelwandiger, vakuumdichter Hohlkörper ausgeführt; der Ringraum zwischen den beiden Hüllwänden ist evakuiert. Dadurch wird einer der wesentlichen Wärmeleitmechanismen - die Wärmeleitung über Gase (auch Konvektion genannt)- ausgeschaltet. Solche Isoliergefäße wurden erstmals 1874 von dem englischen Physiker James Dewar entwickelt und gebaut - deswegen spricht man heute auch noch von Dewar-Gefäßen.

Ein weiterer wesentlicher Wärmeleitmechanismus ist die Festkörper-Wärmeleitung, die sehr stark von dem jeweiligen Werkstoff abhängig ist (metallische Werkstoffe sind - im Gegensatz zu z.B. Glas oder keramischen Werkstoffen - in der Regel sehr gute Wärmeleiter). Da sich im evakuierten Ringraum eines Dewargefäßes keine Feststoffe befinden, kommt dieser Wärmeleitmechanismus hier auch nicht zum tragen.

Als dritter Wärmeleitmechanismus ist die Wärmestrahlung zu nennen. Wärmestrahlung ist nicht an Materie gebunden und breitet sich daher auch im luftleeren Raum aus (Beispiel Wärmeübertragung von der Sonne zur Erde durch den weitestgehend luftleeren Weltraum). Um den Strahlungsanteil in einem Dewar-Gefäß zu unterbinden sind die Wände des Isolationsraumes verspiegelt (erstmals 1893 von Dewar vorgestellt) - die Strahlung wird also reflektiert.

Dewar-Gefäße müssen bis in den Hochvakuum-Bereich (p< 10-4 mbar) evakuiert werden und sind nicht druckbelastbar. Die Herstellung großer Behälter ist daher mit hohem Aufwand verbunden bzw. bei Abweichungen von der Rotations-Symmetrie häufig auch unmöglich. (Gleiches gilt im Übrigen auch für die sogenannten Multilayer-Systeme, wie sie häufig in der Kryo- und Raumfahrt-Technik eingesetzt werden.)

Was sind Gestützte Vakuum-Isolierungen - GVI®?

(GVI® ist eine eingetragene Marke von König Metall und TEB)

Auch GVI®-Systeme bestehen aus einer doppelwandigen, vakuumdichten Hüllstruktur, die evakuiert wird. Allerdings ist hier der Isolationsraum vollständig mit einem mikroporösen (häufig auch nanoporösen) Füllmaterial ausgefüllt. Grundlegende Überlegungen zum Einsatz solcher Materialien wurden bereits 1910 von Smoluchowski angestellt. Er hat die Konvektion in feinporösen Pulvern untersucht und nachgewiesen, daß Gasmoleküle in der Nähe von Gefäßwandungen (hier den Porenwänden) ihre normale Beweglichkeit einbüßen, was sich als Unstetigkeit der Temperatur bemerkbar macht. Die  mittlere freie Weglänge der in einer Pore eingeschlossenen Gasmoleküle wird bereits bei hohen Restgasdrücken sehr groß!

(Das entspricht im Übrigen den Erfahrungen aus der Vakuumtechnik, daß in Kapillaren und feinporigen Schüttungen mit großen Knudsen-Zahlen gerechnet werden muß - die  molekulare Strömung setzt u.U. bereits im Grobvakuum-Bereich ein!).

Der Vakuum-Effekt (hier die weitestgehende Unterbindung der Konvektion), der in einem Dewar-Gefäß erst bei einem Restgasdruck von p < 10-4mbar erreicht wird, tritt demnach in entsprechend fein-, mikro- oder gar nanoporösen Pulverschüttungen bereits bei Restgasdrucken von etwa 0,1 < p < 10 mbar ein.

Darüber hinaus hat der Füllstoff in solchen Vakuum-Isolierungen eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Stützfunktion - solche Dämmungen sind druckbelastbar und es ist möglich, großflächige, ebene Wandelemente herzustellen oder Kräfte/ Momente - ohne zusätzliche Stützelemente - in die Dämmschicht einzuleiten und auf die Außenhaut zu übertragen!

 
 

 

Quelle: Dewargefäß bei Wikipedia

 

schematische Darstellung der Wärmeleit-Mechanismen

 

 

Thermosgefäß in GVI®-Technik