Vakuumwärmedämmung

Vakuumwärmedämmung bezeichnet ein hocheffizientes System zur thermischen Isolation, bei dem der durch die Gasmoleküle der Luft bedingte Wärmetransport verhindert wird. Vakuumwärmedämmung findet Anwendung z.B. in Thermoskannen und Vakuumdämmplatten.

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Prinzip

Wärmetransport findet durch drei verschiedene Mechanismen statt: Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion. In Wärmedämmstoffen ist der Beitrag der Wärmestrahlung und der Wärmeleitung des Festkörpergerüsts zur Wärmeleitung gering, der Wärmetransport über Konvektion der im Dämmstoff enthaltenen Luft macht den größten Anteil aus. Als Beispiel: typische Wärmeleitfähigkeiten von konventionellen Dämmstoffen wie Styropor und Mineralwolle sind Werte um 0,040 W/mK, die Wärmeleitfähigkeit von nicht bewegter Luft liegt bei 0,025 W/mK. Entfernt man die Luft aus dem Dämmstoff durch Anlegen eines Vakuums, so kann die Wärmeleitfähigkeit drastisch reduziert werden. Wichtig ist hier, dass eine Verminderung der Anzahl an Gasmolekülen noch nicht sofort zu einer Reduktion der Wärmeleitfähigkeit führt. Zwar stehen dann weniger Teilchen zur Wärme(Energie-) übertragung zur Verfügung. Die Stecke, die ein solches Teilchen zurücklegt, bis es beim nächsten Stoss wieder Wärme übertragen kann, erhöht sich aber, so dass ein einzelnes Teilchen seine Energie über eine weitere Entfernung transportieren kann. Diese beiden Effekte heben sich gegenseitig auf. Erst wenn die Konzentration an Gasmolekülen so klein wird, dass die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen durch den umschließenden Festkörper begrenzt wird setzt eine Verminderung der Wärmeleitfähigkeit ein. Vakuumwärmedämmung benötigt also einerseits ein hochwertiges Vakuum, die Ansprüche an die Qualität dieses Vakuums sind jedoch abhängig von der umgebenden Struktur

Anwendung

Vakuumdämmung ohne Stützkern

In Thermoskannen bzw. Dewar-Gefäßen wird Vakuumwärmedämmung erreicht, indem man den Hohlraum eines doppelwandigen Behälters evakuiert, also unter Vakuum setzt. Da die Wände des Behälters einige Millimeter voneinander entfernt sind muss der Druck im Hohlraum im Bereich von 10^-3 mbar liegen, also einem millionstel des atmospärischen Luftdrucks. Damit ein so geringer Druck über längere Zeit aufrecht erhalten werden kann, wird der doppelwandige Behälter aus Glas oder Edelstahl gefertigt. Vakuumdämmung ohne Stützkern kann außerdem nur in rotationssymetrischen Behältern realisiert werden (z.B. Zylinder, Ellipsen oder Kugeln), da die Wände des Behälters der enormen Kraft des Luftdrucks standhalten müssen. Bei solchen vakuumgedämmten Gefäßen ohne Stützkern machen die Randverluste über die Kontaktstellen der beiden Teile des Doppelmantels den größten Teil des Wärmeverlustes aus.

Vakuumdämmung mit Stützkern

Im Vakuumdämmplatten wird ein poröser Stützkern verwendet, der mit einer gasundurchlässigen Hülle versehen ist. Der Stützkern dient einmal dazu, den Luftdruck aufzunehmen, so dass bei Vakuumdämmplatten prinzipiell jegliche Formen möglich sind. Zum anderen dienen die Porenwände im Stützkerns als Begrenzung der freien Weglänge der Gasteilchen. Dadurch sind die Anforderungen an das Vakuum geringer. Bei Vakuumdämmplatten mit einem Stützkern aus mikroporöser Kieselsäure, deren Poren nur einige 100 nm groß sind, reicht ein Druck in der Dämmplatte von 10 mbar, also einem hundertstel des atmospärischen Luftdrucks aus, um die Wärmeleitung durch Konvektion vernachlässigbar klein werden zu lassen. Mit Vakuumdämmplatten lassen sich Wärmeleitfähigkeiten von weniger als 0,004 W/mK realisieren. Hierbei ist der Beitrag der Konvektion zur Wärmeleitfähigkeit vollständig unterbunden, einzig die Beiträge von (Festkörper-)Wärmeleitung und Wärmestrahlung verbleiben.