Tyhjiöeristeiden teknologia

Lämpöenergia on aineen atomien liikettä. Mitä enemmän aineen rakenneosaset liikkuvat, sitä suurempi on lämpötila. Lämpö voi siirtyä paikasta toiseen kolmella tavalla:
– Johtumalla
– Kuljettumalla
– Säteilemällä

 

Lämmönjohtavuus

Lämmönjohtavuus, λ (sanotaan lambda) kuvaa, miten hyvin jokin materiaali johtaa lämpöä. Mitä pienempi lämmönjohtavuuslukema on, sitä huonommin lämpöä johtuu. Lämmönjohtavuuden yksikkö on watti / kelvin·metriä kohti eli W/(K·m).

Perinteiset eristeet pohjautuvat ilman mahdollisimman tehokkaaseen sitomiseen eristeen sisään. Eristyskyvyn käytännöllisenä rajana on kuljettumisen osalta väistämättä täysin kuivan ja täysin paikallaan pysyvän ilman lämmönjohtavuus, joka on 0,025 W/(K·m). Lämmönjohtavuuksia W/(K·m):
– Selluvilla 0.0350 – 0.500
– Lasi- ja mineraalivilla 0.0320 – 0.420
– Polystyreeni 0.0280 – 0.040
– Polyuretaani 0.0230 – 0.030
– Tyhjiöeristeet 0.0025 – 0.050

Mitä pienempi solukoko sitä paremmin lämmön kuljettuminen estyy ja saadaan tässä suhteessa parempi eriste. Suunnittelun tekee kuitenkin haastavaksi se, että mitä pienisoluisempi materiaali on kyseessä, sitä enemmän materiaalia on soluseinämissä. Soluseinämien materiaali sitten taas johtaa aina lämpöä.

Parhaat perinteiset eristeet saavuttavat hyvän tasapainon osin ristiriitaisten vaatimusten välillä (pieni solukoko ja mahdollisimman vähän materiaalia) ja pääsevät hyvin lähelle ilman lämmönjohtavuutta 0,025 W/Km. Lisäämällä eristeiden joukkoon säteilyäkomponentin vaikutusta vähentäviä partikkeleita (yleensä hiiltä) päästään jopa aavistuksen ilman lämmönjohtavuuden (0,025 W/Km) alapuolelle.

Tyhjiöeristeiden eristyskyky on noin 4-10 kertainen verrattuna perinteisiin, ilman sitomiseen pohjautuviin, eristeisiin. Eristämisen teknologia pohjautuu nanomittaluokan ilmiöihin ja poikkeaa monessa kohdin ilman sitomiseen pohjautuvasta eristämisestä. Tyhjiöeristeiden kehittäminen edellyttää syvällistä osaamista nanoteknologiasta, fysiikasta, orgaanisesta ja epäorgaanisesta kemista sekä nanoteknologisesta valmistustekniikasta sekä korkeiden lämpötilojen hallinnasta – pelkästään sisusmateriaalina käytettävän pyrolosoidun piidioksidin valmistusprossessi sisältää useiden tuhansien asteiden lämpötiloja.

 

Lämmön johtuminen on minimoitu

Tyhjiöeristeiden sisus koostuu nanokokoisista pallomaisista partikkeleista. Sisumateriaali on erinomaisten ominaisuuksiensa takia yleensä piidoksidia. Lämmön johtuminen minimoituus sisusrakenteessa koska pallomaiset partikkelit koskettavat toisiaan vain pistemäisten siltojen kautta. Nanomittaluokan rakenteesta saa käsityksen katsoessaan lasten pallomerta. Pallot koskettavat toisiaan pistemäisesti ja pallomeren reunojen ansiosta pallon muodostavat puolijäykän leikkialustan. Hypyn jälkeen löytää itsensä pallojen löyhästi ympäröimänä. Jos pallomereen laitettaisiin kansi ja sen sisälle imettäisiin suuri alipaine saadaan erittäin suurikokoinen havainnemalli tyhjiöeristeen sisäisestä rakenteesta.

 

Tyhjiö tuottaa jäykkyyttä

Tyhjiöeristeissä alipaine tuottaa eristeelle sen jäykän, levymäisen rakenteen. Nanopartikkelit laitetaan äärimmäisen ilma- ja kaasutiiviseen pussiin, johon imetään alipaine ja saumat suljetaan. Valmistusprosessi on tavallaan samankaltainen kuin kahvia pakattaessa. Alipaineistettu kahvipakettikin on kotiin kannettaessa jämäkkä ja tukeva. Kun kahvipaketti avataan, se säilyttää rakenteensa, mutta menettää osan jäykkyydestään. Vaurioituneen tyhjiöeristeen, josta tyhjiö on karannut, tunnistaa helposti samalla tavalla – levy muuttuu löysäksi ja taipuisaksi. Eristelevyn sisällä oleva paine on pienempi kuin 5mbar eli noin 5/1000 ilmakehän paineesta. Tämän jälkeen lämmön johtuminen on niin pientä, että paineen alentaminen edelleen ei paranna enää juurikaan eristyskykyä. Alipaineen takia jokaiselle eristeneliömetrille kohdistuu noin 10 000 kg suuruinen voima!

 

Lämmön kuljettuminen on estetty yksinäisyydellä

Lämmön kuljettumisessa astuu herra Knudsen lakeineen mukaan peliin, ts. avosoluisten eristeiden eristyskyky paranee sitä mukaa kun solukoko pienee. Yksinkertaistaen kyse on siitä, että kaasujen (ilman) ja nesteen (veden) kuljettumisen aiheuttamaa lämmön siirtymistä estää nanohuokoinen rakenne, jonka ansiosta kaasu- ja vesimolekyylit eivät voi vaihtaa energiaa. Idea on sama kuin jos lasten pallomeren pohjaan asennetaan iso rantapallo – pallomeren päälle heitettävä rantapallo ei pääse kosketuksiin pallomeren pohjassa olevan pallon kanssa vaan kontaktit muodostuvat pistemäisten siltojen avulla. Yksinäisyydellä saadaan energiatehokkuutta. Vaikutusta tehostaa olennaisesti se, että ilma- ja vesimolekyylejä on aikaansaadussa tyhjiössä erittäin vähän. Käytännössä tyhjiöeristeissä lämmön siirtyminen kuljettumalla estyy kokonaan. Tyhjiöeristeen sovelluksesta riippuen eristeen sisään voidaan vielä lisätä myös kaasuja ja vesihöyryä absorbvoivia (sitovia) ainesosia.

 

Säteilykomponentin minimointi – raakaa nanomittaluokan fysiikkaa

Tyhjiöeristeissä lämmön siirtyminen säteilemällä onnistutaan estämään käytännöllisesti katsoen lähes kokonaan lisäämällä joukkoon nanomittaluokan (2-5 mikrometriä) hiilipartikkeleita. Teoria nanohiilipartikkelien lisäämisen taustalla on vanha – jo vuonna 1908 Gustav Mie kumppaneineen ratkaisi miten säteily käyttäytyy pallonmuotoisilla partikkeleilla. Kun yhtälöt ratkaistaa saadaan optimaaliseksi partikkelikooksi 2-5 mikrometriä. Säteilykomponentin absorbtion, hajottamisen ja heijastamisen suhteen eri materiaaleilla on hivenen eri ominaisuuksia. Esimerkiksi alumiinilla optimaalinen partikkelikoko on suunnilleen sama kuin hiilipohjaisilla partikkeleilla, mutta tehokkuus huonompi. Hiilipohjaisten partikkeleiden käyttöön on päädytty niiden hyvän suorituskyvyn ja suhteellisen edullisen hinnan takia.

Tästä samasta syystä perinteiset, ilman sitomiseen pohjautuvat eristeet, ovat viime aikoina harmaantuneet – lisättävien hiilipartikkeleiden koko voi poiketa usein reippaasti optimaalisesta, mutta joka tapauksessa säteilykomponentin hallinta paranee vähän ja saadaan joidenkin sadasosien parannuksia eristävyyteen. Nanomittaluokan partikkeleiden lisääminen materiaaleihin ei ihan helposti onnistu ilman järeää teknologiaa. Partikkelit ovat vaarattomia ollessaan sidoksissa muihin materiaaleihin ja toisiinsa, mutta nanopartikkeliden lisäämisvaihe täytyy hallita erittäin hyvin – vaaditaan huippuluokan turvallisuusjärjestelyjä ja korkeaa nanoteknistä valmistusosaamista. Tyhjiöeristeiden tutkimuksessa keskitytään säteilyn osalta tällä hetkellä mm. nanohiiliputkien sovelluksiin – muoto poikkeaa pyöreästä, joten ratkaisutkin ovat erilaisia. Nanoputkien osalta ratkaisuja haetaan niiden käyttämisestää nanomittaluokan antenneja vastaavina rakentaina.

 

Kaasu- ja vesihöyryntiivis kuori takaa tyhjiön

Tyhjiöeristeen ympärillä on kaasu- ja vesihöyrytiivis kuori. Kuori on rakenteeltaan tyypillisesti 7-kerroslaminaatti jossa ulkokerroksessa vuorottelevat kolminkeraisesti noin 12 mikrometrin paksuinen PET-kalvo ja 30-80 mikrometrin alumiinikalvo. Alimpana kerroksena on noin 50 mikrometrin paksuinen PE-kerros. Monikerroslaminaatilla saavutetaan rakenne, jossa lämmön johtuminen eristeen keskellä on käytännössä sama kuin eristeen reunoilla, jolloin eristeen reunojen ympärillä tapahtuva lämpövuoto minimoituu ja käytännön sovellusten kannalta lämmön johtuminen kuoren reunoja pitkin ei vaikuta eristystehoon eikä sovelluksiin.

 

Ylivoimaista ilmatiiviyttä ja päästöttömyyttä

Tyhjiön säilyttämiseen suunnitellut kuorirakenteet takaavat tyhjiöeristeille ylivoimaisen ilma- ja vesihöyryntiiviyden. Rakentamisessa tämä tarkoittaa sitä, että erillisiä höyrysulkuja ei tarvita ja energiatehokkuuden kannalta keskeinen ilmatiiviys tulee varmistettua parhaalla mahdollisella tavalla.

Tyhjiöeristeet ovat myös erittäin turvallisia. Kaasutiiviistä kuoresta johtuen eristeiden sisältä ei haihdu mitään haitallisia kaasuja tai partikkeleita ympäristöön. Tyhjiöeristeen rikkoutuessa sisältä tulee pientä purumaista jauhetta, joka on angglomeroitunutta piidioksidia. Jauhe ei ole vaarallista, mutta silmä ja hengityssuojainten käyttöä suositellaan käsiteltäessä rikkoutuneita tyhjiöeristeitä. Kuorirakenteen päästöttömyydestä ja turvallisuudesta saa hyvän käsityksen vertaamalla sitä elintarviketeollisuuteen jossa turvallisuusvaatimukset ovat ankarat esim. juotavien nesteiden suhteen (itse asiassa koko kaasutiiviiden filmien kehittäminen lähti aikoinaan elintarviketeollisuuden tarpeista). Kurkkaamalla tuoremehupurkin sisälle näkee aluminoidun kalvorakenteen ja PET-muovi on se materiaaliryhmä, johon esimerkiksi virvoitusjuomat on pakattu.

 

Tyhjiöeristeet – ylivoimaista eristävyyttä

Eristämisen edelläkävijä!

Tutustu asiakaslähtöisiin eristysjärjestelmiin ja ohuisiin lämpöeristeisiin (avautuu uuteen ikkunaan)

Tutustu
Ota yhteyttä
Meillä on ratkaisu ohuen ja tehokkaan eristämisen ongelmiin. Olemme vain puhelinsoiton päässä.

Kerro tarpeesi ja valitsemme laajasta valikoimastamme juuri sinun tarpeisiisi sopivan ratkaisun.