Vakuum-Isolierglas (VIG) Abschlussbericht

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1 Vakuum-Isolierglas (VIG) Abschlussbericht

2 Februar 2007 Abschlussbericht zum Verbund Vakuum- Isolierglas (VIG) Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert und vom Projektträger Jülich, Forschungszentrum Jülich betreut. Förderkennzeichen: A bis G Laufzeit: 08/2004 bis 10/2006 Redaktion: Dipl.-Ing. Siegfried Glaser, Glaser GmbH & Co. KG für Grenzebach GmbH 1

3 Autorenliste in der Reihenfolge der Beiträge Siegfried Glaser Glaser FMB GmbH & Co. KG für Grenzebach GmbH Dr. H. Weinläder, S. Hippeli, S. Weismann, Dr. H.-P. Ebert Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. (ZAE Bayern) Dr. Johanna Kron, Dr. Bernhard Durschang Fraunhofer-ISC Dr. Markus Arntzen, Dipl.-Ing Wolfgang Graf Fraunhofer ISE Thorsten Faber, Dr. Rainer Kübler Fraunhofer IWM Siegfried Glaser, Wolfgang Friedl Grenzebach GmbH Hans Brandner, Werner Pätz BBG GmbH & Co.KG Dirk Stempfhuber Roto Frank Bauelemente GmbH Dr. Ralph Mikolaschek Visio-Glas GmbH Frank Faisst TRUMPF - Laser GmbH + Co. KG, Schramberg Die Dokumentation stellt die Ergebnisse aus einem Forschungs- Verbundprojekt dar. Verantwortlich für den Inhalt sind die jeweiligen Autoren. Der VDMA übernimmt keine Gewähr, insbesondere für die Richtigkeit, Vollständigkeit und Genauigkeit der Angaben, sowie die Beachtung privater Rechte. Verbreitung: Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v. Forum Glastechnik Lyoner Straße Frankfurt am Main Kontakt: susanne.schartz@vdma.org 15. April

4 Inhaltsverzeichnis 1 Projektverlauf Einleitung Stand der Technik Aufgabenstellung und Zielsetzung Struktur des Verbundes Ergebnisse Verwertung und Ausblick Zusammenfassung und Danksagung Thermische Charakterisierung und Optimierung des Wärmedurchganges sowie thermische Belastungsprüfung Zusammenfassung Aufgabengebiete Aktueller Entwicklungsstand bei evakuierten Verglasungen Thermische Optimierung von VIG Optische Optimierung der Stützen Wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit Ormocer- Randverbund, Stützenauswahl und Trocknung Zusammenfassung Ormocer- Randverbund Stützenauswahl Trocknungsverfahren Verwertungsplan Entwicklung eines Randverbunds und Untersuchung von Materialien im Vakuumisolierglas Zusammenfassung Anforderungen an Leckrate und Ausgasungsverhalten eines Vakuumisolierglases Eignung von Einscheibensicherheitsglas für VIG-Einheiten Eignung von gebogenem Glas Belastungstests an Vakuumisolierglaseinheiten Entwicklung eines Randverbundes Entwicklung eines spannungsarmen Glaslotrandverbunds und numerische Simulation des Gesamtsystems Zusammenfassung Untersuchungen zum Fügen eines Randverbundes aus Glaslot Musterscheiben für thermischen Belastungstest Vakuumdichtheit des Randverbundes Numerische Simulation des Fügeprozesses Mechanischen Spannungen in der Glasscheibe und in den Abstandshaltern unter atmosphärischer Last Spannungen in der Glasscheibe unter thermischer Last Thermisch induzierten Spannungen in den Abstandshaltern unter thermischer Last Thermische Belastungstests an Testscheiben mit starrem Randverbund aus Glaslot Machbarkeit und Erfolgschancen des Glaslotrandverbunds Machbarkeitsentwicklungen und Konzepte für Vakuum-Isolierglas Zusammenfassung Unterschiedliche VIG- Aufbauten und Anforderungen Herstellung von VIG

5 7 Entwicklungen zum Einsatz von VIG in Dachfenster Zusammenfassung Aufgabenstellung und Ziele: Erwartete Vorteile beim Einsatz von VIG in Dachfenster Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn und Ende von VIG Untersuchung und Modifikation bestehender Dachfensterrahmenkonstruktionen zur Aufnahme von VIG Optimierung von Dachfensterrahmen und des VIG- Rahmenverbundes unter wärmetechnischen Gesichtspunkten Montageversuch und Temperaturmessung im Dach VIG für mobile Anwendungen Zusammenfassung VIG für mobile Anwendungen Spannungszustand bei vorgespannten Glasscheiben Teststand Entwicklungen und Untersuchungen für gebogene VIG Wissenschaftlich- technische Ergebnisse Zielstellung Toleranzoptimierung Zusammenfassung Laserschweißen und Laserlöten beim Randverbund Zusammenfassung Aufgabenstellung und Ziel Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Beginn und Ende von VIG Ablauf des Vorhabens Literatur, Quellen und Informationsmöglichkeiten

6 1 Projektverlauf Siegfried Glaser Glaser FMB GmbH & Co. KG für Grenzebach GmbH 1.1 Einleitung Vakuum anstelle von Edelgasen mit dieser Technologieentwicklung könnte den Verglasungen nochmals ein großer Entwicklungsschritt gelingen. Doch der atmosphärische Druck auf evakuierte Flachgläser ist mit 10 Tonnen pro Quadratmeter gewaltig. Und für evakuierte Verglasungen gilt ähnlich wie für Vakuumpaneele: Nur ein dauerhaftes Vakuum garantiert einen guten Wärmeschutz. Mit diesem Forschungsprojekt soll nun der Nachweis erbracht werden, dass evakuierte Verglasungen mit speziellen Funktionsschichten für die Architektur technisch machbar sind. 1.2 Stand der Technik Die Verglasungen haben in den 1980er und 1990er Jahren rasante Entwicklungsschritte durchlaufen. Inzwischen sind Verglasungen im Dreischeiben-Aufbau machbar mit U-Werten für die Verglasung im Bereich von 0,6 bis 0,7 W/m²K. Allerdings werden hierfür seltene Edelgase benötigt und die Verglasungen sind mehrere Zentimeter stark und recht schwer. Vakuumglas wäre deutlich schlanker und leichter bei Wärmeschutzkoeffizienten von bis zu 0,5 W/m²K. Schematische Darstellung von Vakuum- Isolierglas (VIG) Mit einer Verglasung mit evakuiertem Scheibenzwischenraum, kurz: Vakuumisolierglas, könnten also exzellente Wärmeschutzeigenschaften erreicht werden. Als weitere Vorteile sind zu werten, dass ein Zweischeibenaufbau ausreicht und auf die Edelgase verzichtet werden kann. Nachteilig ist, dass der gewaltige atmosphärische Druck über viele kleine, im Scheibenzwischenraum positionierte Stützkörper aufgenommen werden muss. Ein japanisches Unternehmen, Nippon Sheet Glass Co., und ein chinesisches Unternehmen Qingdao Hengda Industry Co., Ltd. bieten bereits Vakuumglas mit einem bescheidenen U-Wert von etwa 1,1 W/m²K am asiatischen Markt an. 1.3 Aufgabenstellung und Zielsetzung Im Forschungsprojekt sollte geklärten werden, ob dauerhaft vakuumdichte Verglasungen mit U- Werten von etwa 0,5 W/m²K technisch machbar sind. Es sollten evakuierte Verglasungen mit Funktionsschichten (wie z. B. IR-Reflexionsschichten) entwickelt werden, die bei einem sehr schlanken Aufbau einen passishaustauglichen U-Wert von ca. 0,5 W/m²K aufweisen. Zur Entwicklung eines gasdichten und wärmedämmenden Randverbundes wurden neben dem Schweiß-/Lötverfahren und dem Klebeverfahren auch 5

7 Kombinationen davon getestet. Geeignete Stützen zur Aufnahme des Atmosphärendrucks mussten entwickelt und optisch und wärmetechnisch optimiert werden. Die Ziele im Einzelnen: Evakuierung bis zu einem für diesen U-Wert erforderlichen Restgasdruck von <0,001 hpa, der über einen Temperaturbereich von -40 bis +60 C und über 25 Jahre hinweg stabil sein muss Wärmedurchgangskoeffizient für das gesamte Fenster von Uw = 0,8 W/m²K, für den Scheibenbereich allein 0,5 W/m²K extrem schlanker Aufbau < 10 mm bei 2x 4mm Floatglas. geringes Gewicht optisch kaum wahrnehmbare Stützen Langzeitstabilität VIG in unterschiedlichen Glas- Aufbauten (Float, ESG,VSG) 1.4 Struktur des Verbundes Zur Lösung der anspruchsvollen Aufgaben und Ziele hat sich ein Verbund von Industrie- und Forschungspartnern zusammengefunden, um unter Nutzung spezieller Ressourcen und Fachkenntnisse möglichst schnell Lösungswege zum Erreichen neuer Verfahrenstechniken und deren industriellen Anwendungen zu erarbeiten. Das Konsortium setzt sich aus vier Forschungsinstitut und fünf mittelständigen Unternehmen zusammen, die in den jeweiligen Teilaufgaben spezifische Arbeitspakete und projektübergreifende Querschnittsaufgaben bearbeitet haben. Gesamt- Projektkoordinator im Auftrag der Fa. Grenzebach Glaser FMB GmbH & Co. KG Am Kapellenberg Beverungen Siegfried Glaser Tel.: s.glaser-fmb@t-online.de Industriepartner Grenzebach Maschinenbau GmbH Albanusstr Asbach- Bäumenheim Wolfgang Friedl Tel.: o8 wolfgang.friedl@grenzebach.com BBG GmbH & Co.KG Roto Frank Bauelemente GmbH Säulingstr. 1 u Mindelheim Wilhelm-Frank-Str Bad Mergentheim Hans Brandner Tel.: brandner@bbg-mbh.com Dirk Stempfhuber Tel.: dirk.stempfhuber@roto-frank.com Visio-Glas GmbH Am Hammergrund Ilmenau Dr. Ralph Mikolaschek Tel.: r.mikolaschek@visio-glas.de Trumpf Laser GmbH + Co. KG Aichhalder Str Schramberg Dr. Kurt Mann Tel.: kurt.mann@de.trumpf-laser.com 6

8 Institutspartner ISC Fraunhofer- Institut für Silicatforschung Neunerplatz Würzburg Dr. Bernhard Durschang Tel.: dur@isc.fhg.de ISE Fraunhofer- Institut für Solare Energiesysteme Heidenhofstr Freiburg Wolfgang Graf Tel.: wolfgang.graf@ise.fraunhofer.de IWM Fraunhofer- Institut für Werkstoffmechanik Wöhlerstr Freiburg Dr. Rainer Kübler Tel.: rku@iwm.fhg.de ZAE Bayern Bayerisches Zentrum für angewandte Energieforschung e.v. Am Hubland Würzburg Dr. Helmut Weinläder Tel.: weinlaeder@zae.uni-wuerzburg.de 1.5 Ergebnisse Zunächst wurden zahlreiche Funktionsmuster und Prototypen mit unterschiedlichen Stützen und verschiedenen Randverbunden gebaut und charakterisiert. Um die Funktionsmuster einem möglichst realitätsnahen Belastungstest zu unterziehen, wurde eine Versuchsanlage zur thermischen Belastungsprüfung von Glas und Glassystemen entwickelt. In dieser Anlage werden die Funktionsmuster einem zyklischen Klimawechsel ausgesetzt um die mechanische Stabilität und Dichtigkeit des Randverbundes zu testen. Des Weiteren wurde ein Stützmaterial identifiziert, das ausreichende mechanische Stabilität und Elastizität bietet. Weiterhin sind die Stützen blendfrei und nur aus allernächster Nähe vor kontrastarmen Hintergrund wahrnehmbar. Dann wurden zwei Konzepte für den Randverbund positiv evaluiert: Die Metall-Ummantelung und der Ganzglasrandverbund. Beide Konzepte sind gasdicht und mechanisch stabil. Weiterhin ermöglichen beide Ansätze eine ausreichend niedrige Fertigungstemperatur, so dass der Einsatz von low-e-softcoatings möglich ist. Der Ziel-U-Wert von 0,5 W/m²K für die Verglasung konnte bereits erreicht werden. Und es konnte gezeigt werden, dass Vakuumglas auch im ESG-Aufbau möglich ist. Ebenso sind großformatige Vakuum- Isoliergläser für z. B. Ganzglasfassaden machbar. 1.6 Verwertung und Ausblick Mögliche Anwendungsbereiche sind extrem gut wärmedämmende Verglasungen für den Neubau, insbesondere für Niedrigenergie- und Passivhäuser o. ä. Außerdem sind diese Verglasungen auch für die energetische Altbausanierung geeignet. Weiterhin wären Vakuumgläser im Bereich der Leichtglaskonstruktionen und Fahrzeugbau (Bahn, Busse, PKW) einsetzbar. Der Bericht enthält innerhalb der Einzelbeiträge der Partner detaillierte Darstellungen der wichtigsten Entwicklungsziele, Ergebnisse und der möglichen Nutzung. Ab 2007 sollen im Rahmen eines Anschlussprojektes die Produktionstechniken zur Herstellung von Vakuumisolierglas entwickelt werden. Voraussichtlich ab 2009 ist mit der Markteinführung zu rechnen. 7

9 1.7 Zusammenfassung und Danksagung Nach Projektabschluss kann eine positive Bilanz gezogen werden. Die angestrebten Projektziele sind im Wesentlichen erreicht worden. Die Chancen sind gut, im geplanten Anschlussprojekt die geeigneten Produktionstechiken zur wirtschaftlichen Herstellung von für Vakuumisolierglas zu entwickeln und die Langzeitstabilität nachzuweisen. Während der Projektlaufzeit wurden bei den potenziellen Abnehmer- und Anwenderbranchen verstärktes Interesse nach hochwärmedämmenden Verglasungen, als auch Vakuumisolierglas festgestellt. Unter Kenntnis der Vorteile von Vakuumisolierglas, nahm die Forderung nach Konzepten, Lösungen und Verfügbarkeiten zu. Zu den Fachbranchen der Glas- und Fensterindustrie, interessierten Firmen und den glaskonstruierenden Architektenvertretern gibt es gute Kontakte und einen regelmäßigen Informationsaustausch. Gegenstand dieser Zusammenarbeit ist der Erfahrungsaustausch über den jeweiligen Stand der Technik und den Marktanforderungen. Es kann festgestellt werden, dass in überschaubaren Zeiträumen industriell nutzbare Produktionstechniken für Vakuumisolierglas zur Verfügung stehen sollten. Das VIG Konsortium verfügt über gute Ergebnisse, Erkenntnisse und Praxiserfahrungen um sich an diesem Technologiewandel zu beteiligen. Ohne die finanzielle Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) hätte das Verbundprojekt sicherlich nicht den hohen Entwicklungsstand erreicht. Unser Dank gilt dem Projektträger des BMWi, PTJ, Forschungszentrum Jülich und hier insbesondere Frau Dr. Astrid Wille und Herrn Helmut Groebel, für die unermüdliche und kooperative Projektbegleitung. Abschließend möchte ich allen Projektleitern der Teilaufgaben und den zahlreichen Mitarbeitern der beteiligten Unternehmen und Forschungsinstitute danken, mit deren engagiertem Einsatz das VIG - Projekt wesentlich zum Erfolg geführt wurde. 8

10 2 Thermische Charakterisierung und Optimierung des Wärmedurchganges sowie thermische Belastungsprüfung 2.1 Zusammenfassung Dr. H. Weinläder, S. Hippeli, S. Weismann, Dr. H.-P. Ebert Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. (ZAE Bayern) Von thermischer Seite wurden die Effekte der einzelnen Wärmetransportmechanismen in VIG untersucht und bewertet. Mittels Optimierungsrechnungen wurde ein VIG mit einem U-Wert < 0,5 W/(m 2 K) konzipiert und anhand begleitender Messungen die Machbarkeit aufgezeigt. Die Notwendigkeit eines hochwärmedämmenden Rahmens für den praktischen Einsatz von VIG wurde aufgezeigt. Es wurden optische Optimierungskonzepte für die Stützen bezüglich geringer Wahrnehmbarkeit sowie Vermeidung von Blendung ausgearbeitet. Zwei Randverbundkonzepte (Ganzglasrandverbund und Metallummantelung) wurden hinsichtlich Gasdichtigkeit und mechanischer Stabilität geprüft und positiv evaluiert. Eine umfassende wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit fand statt. 2.2 Aufgabengebiete Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) bearbeitete im Rahmen von VIG folgende Aufgaben: Bestimmung des aktuellen Entwicklungsstandes im Bereich evakuierter Verglasungen, thermische Charakterisierung und Optimierung des Wärmedurchganges (Einfluss von Restgas, Stützen, Randverbund und Strahlung), optische Optimierung der Stützen (Wahrnehmbarkeit, Blendeffekte), Untersuchung der Gasdichtigkeit des Randverbundes, Prüfung der mechanischen Stabilität von Demonstratoren unter thermischer Belastung, wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit. 2.3 Aktueller Entwicklungsstand bei evakuierten Verglasungen Momentan gibt es zwei asiatische Hersteller evakuierter Verglasungen [1], [2]. Beide Produkte weisen einen Ganzglasrandverbund auf, der Scheibenabstand liegt unter 0,2 mm. Das chinesische Produkt besitzt offene Metallringe als Stützen, beim japanischen Produkt werden kleine Metallzylinder verwendet (s. Abb. 1). Das Rastermaß liegt bei mm. Aufgrund der verwendeten low-ε-schichten mit Emissionsgraden um 0,2 liegen die U-Werte beider Produkte über 1 W/(m 2 K). Dies ist für den asiatischen Markt ein hervorragendes Konkurrenzprodukt zur Einscheibenverglasung mit U > 5 W/(m 2 K). Im europäischen Wettbewerb muss der U-Wert von VIG jedoch deutlich geringer ausfallen, da hier Wärmeschutzverglasungen mit U-Werten von ca. 1 W/(m 2 K) bereits Standard sind. Abb. 1: Nahansicht der Stützen kommerziell erhältlicher evakuierter Verglasungen (chinesisches Produkt mit Rastermaß 25-30mm links, japanisches Produkt mit Rastermaß 20mm rechts). 9

11 2.4 Thermische Optimierung von VIG VIG - Abschlussbericht Zunächst wurden die Einflüsse der einzelnen Wärmetransportmechanismen untersucht. Es gilt Λ VIG = Λ gas + Λ rad + Λ stütz + Λ rand. Aus diesen wurden dann Anforderungen an den Aufbau eines VIG abgeleitet. Wärmeleitung durch das Restgas Die Abhängigkeit des Wärmedurchlasskoeffizienten für das Restgas Λ gas im VIG in Abhängigkeit vom Gasdruck ist in Abb. 2 dargestellt. Um den Wärmetransport auf Werte von Λ gas < 0,1 W/(m 2 K) zu unterdrücken, muss der Gasdruck auf unter 10-3 hpa gesenkt werden. Λgas [W/(m 2 K)] Abb. 2: Wärmedurchlasskoeffizient für das Restgas Λ gas als Funktion des Gasdruckes bei einem Scheibenabstand von 1 mm in doppeltlogarithmischer Darstellung Gasdruck [hpa] Wärmeleitung durch die Stützen Der Wärmedurchlasskoeffizient für die Stützen Λ stütz hängt vom verwendeten Material (Wärmeleitfähigkeit), der Größe der Stützen (Durchmesser) und dem Rastermaß (Abstand der einzelnen Stützen zueinander) ab. Die Effekte sind in Abb. 3 dargestellt. Λstütz [W/(m 2 K)] λ = 1 W/(mK), 25mm Rastermaß λ = 10 W/(mK), 50mm Rastermaß λ = 1 W/(mK), 50mm Rastermaß Abb. 3: Wärmedurchlasskoeffizient für die Stützen Λ stütz als Funktion des Stützmaterials (Wärmeleitfähigkeit), der Stützgröße und des Rastermaßes bei einem Scheibenabstand von 1 mm Durchmesser der Stützen [mm] Es zeigt sich, dass neben der Wärmeleitfähigkeit vor allem das Rastermaß eine kritische Einflussgröße ist. Um Λ stütz auf Werte < 0,1 W/(m 2 K) zu drücken sind somit kleine Stützen ( < 0,5 mm) aus Kunststoff oder Glas mit einem möglichst großen Rastermaß > 40 mm notwendig. 10

12 Wärmeleitung durch den Randverbund Der Wärmedurchlasskoeffizient für den Randverbund Λ rand hängt vom verwendeten Material (Wärmeleitfähigkeit) und der Breite B des Randverbundes ab. Die beiden Effekte sind in Abb. 4 dargestellt. Λrand [W/(m 2 K)] Metall: λ = 100 W/(mK) Keramik: λ= 10 W/(mK) Glas: λ= 1 W/(mK) Abb. 4: Wärmedurchlasskoeffizient für den Randverbund Λ rand als Funktion des Randverbundmaterials (Wärmeleitfähigkeit) und der Randverbundsbreite B bei einem Scheibenabstand von 1 mm und einer Scheibengröße von 1 m x 1 m Breite des Randverbundes B [mm] Bei realistischen Randverbundbreiten von B > 1 mm wirkt sich die Wärmeleitfähigkeit nur in geringem Maß auf den Wärmedurchgang aus. Auch der Anstieg von Λ rand mit zunehmender Randverbundbreite B fällt eher gering aus. Allerdings liegen die Werte für Λ rand insgesamt recht hoch, so dass für die praktische Anwendung auf jeden Fall ein hochwärmedämmender Rahmen mit einem entsprechenden Einstand zur Überdeckung dieser Wärmebrücke Verwendung finden sollte. Der Einfluss dieser Maßnahme ist in Abb. 5 dargestellt. Λrand [W/(m 2 K)] E mit Rahmeneinstand: Glasrandverbund (λ=1w/(mk) ; B=5mm) ohne Rahmeneinstand: Glasrandverbund (λ=1w/(mk) ; B=5mm) Abb. 5: Wärmedurchlasskoeffizient des Randverbundes Λ rand für einen Glasrandverbund mit B = 5 mm als Funktion der Einstandsbreite E bei Verwendung eines ideal dämmenden Rahmens (Scheibenabstand 1 mm, Scheibengröße 1 m x 1 m) Einstandsbreite E [mm] 11

13 Wärmeleitung durch Strahlung Der Wärmedurchlasskoeffizient für Strahlung Λ rad hängt vom thermischen Emissionsgrad der verwendeten Beschichtung (low-ε-schicht) ab (s. Abb. 6). Λrad [W/(m 2 K)] Schicht nur auf einer Scheibe (Pos. 2 oder Pos. 3) Schicht auf beiden Scheiben (Pos. 2 und Pos. 3) Abb.: 6 Wärmedurchlasskoeffizient über Strahlung Λ rad als Funktion des Emissionsgrades bei einseitig bzw. beidseitig aufgebrachter low-ε- Schicht Emissionsgrad Hier zeigt sich ein sehr schneller Anstieg Λ rad von bereits bei relativ kleinen Emissionsgraden. Dies verdeutlicht die Wichtigkeit einer guten Beschichtung für das thermische Verhalten von VIG. Will man Λ rad 0,15 W/(m 2 K) erreichen, so sind Emissionsgrade < 0,05 (beidseitige Beschichtung) bzw. < 0,03 (einseitige Beschichtung) erforderlich. Anforderungskriterien an VIG Will man VIG mit U < 0,5 W/(m 2 K) erreichen, so muss jeder der einzelnen Wärmetransportmechanismen optimiert werden. Für U < 0,5 W/(m 2 K) können folgende Richtwerte abgeleitet werden: Der Wärmestrahlungstransport wird durch Einsatz effizienter low-ε-schichten mit ε<0,03 bzw. ε<0,05 (bei einseitiger bzw. beidseitiger Beschichtung) reduziert, Der Gasdruck im Scheibenzwischenraum beträgt <10-4 hpa und Die Stützen sind aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit (z.b. Glas oder Kunststoff) und die Rasterweite beträgt >40mm. Weiterhin wird für die praktische Anwendung der Einsatz eines hochwärmedämmenden Rahmens mit einem Einstand von mindestens 25 mm empfohlen. Anhand der Anforderungskriterien wurden unterschiedliche Stützkonzepte ausgearbeitet und die U-Werte experimentell überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass ein VIG mit U < 0,5 W/(m 2 K) bei Vorliegen der entsprechenden Produktionstechnik machbar ist. 2.5 Optische Optimierung der Stützen Wahrnehmbarkeit Die Wahrnehmbarkeit der Stützen im Scheibenzwischenraum durch einen Beobachter wurde über die Kontrastempfindlichkeit des menschlichen Auges ermittelt [3], [4]. Stützen unter 0,35 mm Größe sind demnach für einen Beobachter in 1 m Entfernung nicht mehr auflösbar, während Stützen mit einer Größe von 3,5 mm sehr gut wahrnehmbar sind (s. Abb. 7). Die Größe der Stützen sollte also 0,35 mm nicht wesentlich überschreiten und deutlich unter 3,5 mm liegen. Treten sehr hohe Kontraste auf (z.b. stark reflektierende Stützen bei Sonnenbestrahlung vor dunklem Hintergrund), so kann dies auch bei sehr kleinen Stützen zu einer Senkung der Wahrnehmungsschwelle und damit einer guten Wahrnehmbarkeit führen. Ein geringer Kontrast (z.b. dunkle Stützen vor dunklem Hintergrund) ist anzustreben. 12

14 Winkelfrequenz in 1/ Wahrnehmungsgrenze Optimale Wahrnehmung Abb. 5: Zusammenhang zwischen Objektgröße und Winkelfrequenz bei einem Beobachtungsabstand von 1 m , ,5 4 Objektgröße bei Betrachterabstand von 1m [mm] Blendung Unter Sonnenbestrahlung können bei stark reflektierenden Stützen hohe Leuchtdichten in bestimmten Raumwinkelbereichen auftreten. Diese führen nicht nur zu einer erhöhten Wahrnehmbarkeit der Stützen sondern evtl. auch zu Blendeffekten. Die Oberfläche der Stützen sollte deshalb eine geringen Reflexionsgrad (z.b. < 0,2) aufweisen und möglichst diffus reflektieren. Lichtdurchlässige Stützen sind zu vermeiden. Gasdichtigkeit des Randverbundes Um bei VIG eine Lebensdauer von 20 Jahren zu gewährleisten, darf der Druck im Scheibenzwischenraum innerhalb dieses Zeitraumes nicht über 10-3 hpa ansteigen, da sonst die Dämmwirkung beeinträchtigt wird. Aus dieser Bedingung ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Dichtigkeit der im Randverbund verwendeten Materialien. Es wurden drei Randverbundkonzepte (Ganzglasrandverbund, Metallummantelung und Verklebung mit Hochbarriereklebern) auf ihre Gasdichtigkeit untersucht. Während die Kleber trotz Optimierung keine ausreichende Gasdichtigkeit zeigten, wurden der Ganzglasrandverbund und die Metallummantelung positiv evaluiert. Mechanische Belastungsprüfung Für die Untersuchung der mechanischen Stabilität der Randverbundkonzepte wurde eine Vorrichtung zur thermischen Zyklisierung und Belastungsprüfung entwickelt und aufgebaut, mit der sich Glas- und Glas-Verbundsysteme unter realitätsnahen Bedingungen testen lassen. Hierzu werden die Prüflinge in einem konventionellen Rahmen gehaltert und einseitig mittels IR- Strahlern aufgeheizt (simulierte Sonnenbestrahlung). Ist die Solltemperatur erreicht, kann die aufgeheizte Seite entweder langsam an Luft, oder durch Besprühen mit kaltem Wasser schlagartig abgekühlt werden (Schlagregensimulation). Mit dieser Methode wurden die Belastungsgrenzen der Randverbundkonzepte von VIG ermittelt. Hierzu wurden die Proben einseitig auf 50 C aufgeheizt, anschließend langsam an Luft abgekühlt, dann wieder auf 50 C aufgeheizt und mit kaltem Wasser besprüht. Anschließend wurde die Temperatur um 10 C erhöht und der Zyklus wiederholt bis der Scheibenbruch eintrat. Als Referenz wurde zunächst die Belastungsgrenze einer konventionellen Isolierverglasung (Wärmeschutzverglasung) ermittelt. Diese überstand alle Zyklentemperaturen einschließlich 90 C unbeschadet. Der Scheibenbruch trat beim 100 C-Zyklus ein. Gleiche Ergebnisse (90 C erreichte Temperatur) konnten auch für VIG-Prüflinge sowohl mit Ganzglasrandverbund, als auch mit Metallummantelung als Randverbund erzielt werden (s. Abb. 8). Um die Belastung der VIG- Prüflinge zu erhöhen, waren diese während der Tests nicht voll evakuiert, sondern nur soweit, dass die mechanische Belastung durch den Umgebungsdruck sichergestellt war, aber noch keine Unterdrückung der Wärmeleitfähigkeit im Scheibenzwischenraum stattfand (p 1 hpa). Hierdurch erhöhen sich beim Aufheizen die Temperaturen beider Scheiben (sowohl der Bestrahlten, als auch der Unbestrahlten), so dass beim Abschreckvorgang deutlich höhere 13

15 Temperaturdifferenzen und damit auch höhere Spannungen zwischen den beiden Scheiben auftreten. Beide Randverbundkonzepte überstanden selbst unter diesen erschwerten Bedingungen alle Zyklen bis einschließlich 90 C unbeschadet und wurden somit positiv evaluiert. Temperatur [ C] Vakuum-Isolierglas Metallummantelung T1 (außen Mitte) T2 (außen oben Mitte) T3 (außen oben Eck) T4 (außen mitte Rand) T5 (außen unten Mitte) T6 (innen Mitte) T7 (innen oben Mitte) Durchbiegung Zeit [min] 3 4 2/7 1/6 Innenansicht) (kalte Seite) Durchbiegung [mm] Temperatur [ C] Vakuum-Isolierglas Ganzglasrandverbund T1 (außen Mitte) T6 (innen Mitte) T2 (außen oben Mitte) T7 (innen oben Mitte) 3 2/ /6 T4 (außen mitte Rand) T3 (außen oben Eck) T5 (außen unten Mitte) Innenansicht Durchbiegung Zeit [min] Durchbiegung [mm] Abb. 6: Prüfzyklen der beiden getesteten Randverbunde Metallummantelung (links) und Ganzglasrandverbund (rechts). Die Position der Temperatursensoren wird durch die jeweilige Skizze rechts oben in den Graphen angezeigt. Beide Randverbunde überstanden alle Zyklen einschließlich 90 C unbeschadet und zeigen damit die gleiche Belastbarkeit, wie eine konventionelle Wärmeschutzverglasung. 2.6 Wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit Am ZAE Bayern fand weiterhin die wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit von VIG statt. Neben einer Vielzahl von Fachvorträgen und Postern auf nationalen und internationalen Tagungen und Symposien wurden zahlreiche Veröffentlichungen in Presse und Internet begleitet. Mehrere Fachbücher, in denen das Thema VIG behandelt wird, werden demnächst veröffentlicht. Auch hier lieferte das ZAE Bayern den wissenschaftlichen Input. Zum Projektabschluss wurden die Projektergebnisse und das Thema VIG mit mehreren Exponaten im Rahmen der weltgrößten Fachmesse für Glas und Glasverarbeitung, der glasstec 2006, der Öffentlichkeit präsentiert und stießen dort auf größtes Interesse. Abb. 7: Zwei VIG- Exponate (1,0m x 1,2m) auf der glasstec 2006 in Düsseldorf. 14

16 3 Ormocer- Randverbund, Stützenauswahl und Trocknung 3.1 Zusammenfassung Dr. Johanna Kron, Dr. Bernhard Durschang Fraunhofer-ISC, Würzburg Am Fraunhofer-ISC wurden kommerzielle Kleber und im Projekt entwickelte Hybridmaterialien (Ormocere) auf ihre Eignung als Randverbundbestandteil untersucht. In beiden Feldern konnten Materialien gefunden werden, die den Ausgangsspezifikationen genügen. Neu Berechnungen ergaben eine um den Faktor 1000 höhere benötigte Gasdichtigkeit. Diese neuen Kennwerte zu erreichen, wurde angesichts der verbleibenden Projektlaufzeit als wenig aussichtsreich eingeschätzt, so dass die Arbeiten zu diesem Thema zu Beginn des Jahres 2006 eingestellt wurden. Bezüglich der Stützenauswahl wurden am ISC verschiedenste Stützengeometrien und -größen, primär auf Glasbasis, ausgewählt. Die entsprechenden Stützen wurden erworben bzw. am ISC hergestellt. Mit diesen Stützen wurden Musterscheiben für mechanische und optische Tests durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Glasstützen deutliche Vorteile in der optischen und thermischen Bewertung aufweisen jedoch bezüglich der mechanischen Tests, insbesondere von Hagelschlagsimulationen Nachteile gegenüber metallischen Stützen aufweisen. Außerdem wurde an der Außenstelle Bronnbach ein Prototyp einer Positionierungseinheit aufgebaut und für die Herstellung von Proben- und Musterscheiben eingesetzt. Um nach der Herstellung einen Anstieg des Gasdrucks innerhalb der VIG- Scheiben zu vermeiden, wurden verschiedene Trocknungsverfahren eingesetzt und ihre Auswirkungen auf die Glasoberflächen mit oberflächensensitiven Analysemethoden untersucht. 3.2 Ormocer- Randverbund Materialscreening; Auswahl, Synthese und Prüfung von ORMOCER -Grundtypen auf Klebfähigkeit und Haftung zu Glas, auch unter Feuchtebelastung Aus der Materialklasse der hybridpolymeren Sol-Gel Systeme (ORMOCER e) wurden in der Screeningphase verschiedene Grundtypen von Barrierelacken und weiteren funktionellen Lacksystemen ausgewählt und im Sol-Gel-Prozess nach den am ISC üblichen Syntheseverfahren hergestellt. Hauptbestandteile dieser Basissysteme sind funktionelle Trialkoxysilane (epoxymodifizierte Silane, Aminosilane, acrylatmodifizierte Silane), Tetraalkoxysilane und Metallalkoholate. Des Weiteren wurden in einem ersten Entwicklungsschritt Lacke aus längerkettigen Mehrfachacrylaten und Amino-Dialkoxysilanen formuliert. Ein spezielles Beschichtungssystem für Glasoberflächen wurde in modifizierter Form hergestellt. Die Verklebungen wurden zunächst durch Handversuche auf ihre prinzipielle Klebfähigkeit überprüft. Damit konnten einige ORMOCER -Systeme identifiziert werden, die prinzipiell eine gute Klebfähigkeit aufweisen. Das weitere Eigenschaftsprofil der daraufhin ausgewählten Beschichtungen für Glasoberflächen wurde mittels standardisierter Verfahren erstellt. Die Auswertung der Beschichtungen führte zur weiteren Eingrenzung der Systeme. Zu favorisieren waren nach dem Materialscreening zwei hybridpolymere Systeme. Beide Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass das organische Netzwerk über Epoxidgruppen aufgebaut wird. Reine Acrylat-vernetzende ORMOCER -Beschichtungssysteme waren dagegen zumindest bei Feuchteeinwirkung nicht beständig. 15

17 Untersuchungen zur Herstellung lösemittelarmer bzw. lösemittelfreier ORMOCER - Systeme Für eines der beiden im Materialscreening ausgewählten ORMOCER -Beschichtungssysteme gelang die Herstellung erster lösemittelarmer bzw. lösemittelfreier Sole durch entsprechende Weiterentwicklung des Systems. Durch Komplettierung der Hydrolyse bei der Sol-Herstellung konnte eine Alkoholabspaltung beim Aushärten vermieden werden. Der Einsatz komplexierter Metallverbingungen und die Temperaturkontrolle bei der Synthese ermöglichte die Solherstellung ohne Zusatz von weiteren Lösemitteln. Damit waren lösemittelarme Sole mit einem Feststoffgehalt (FG) > 70 % zugänglich. Das Entfernen flüchtiger Substanzen bei Raumtemperatur im Vakuum führte zu zähflüssigen lösemittelarmen Solen mit einem Feststoffgehalt > 80 %. Der Feststoffgehalt der Sole konnte durch Zusatz von organischen Präpolymeren und Reaktivverdünnern zum lösemittelarmen ORMOCER -Sol auf ca. 85 % erhöht werden. Die Herstellung erster nahezu lösemittelfreier Sole gelang allerdings durch die Zugabe von organischen Präpolymeren und Reaktivverdünnern mit entsprechender Reaktivität zum ursprünglichen Hybridpolymersol mit anschließendem Entfernen der flüchtigen Substanzen bei Raumtemperatur im Vakuum (Feststoffgehalt > 95 %). Vorrichtung zur Bestimmung der Haftspannung von Verklebungen Um die Klebkraft (Haftspannung) von Verklebungen mittels Zug-Prüf-Messungen (Universalprüfmaschine UTS) in Anlehnung an DIN EN ISO für möglichst hohe Werte bestimmen zu können, musste eine spezielle Vorrichtung für die Universalprüfmaschine konzipiert und gebaut werden (Bild 1). Damit war die Ermittlung der Haftspannung im Druckversuch bis ca. 30 MPa möglich. Bild 1: Vorrichtungen für die Universalprüfmaschine zur Ermittlung der Haftspannung im Druckversuch mit verklebten Glasklötzchen Bestimmung der Haftspannung von Glas/Glas- und Glas/Metall-Verklebungen Zur Bestimmung der Haftspannung bei der Verklebung von Glas wurden spezielle Glasklötzchen mit geschliffenen Kanten überlappend verklebt und wie oben beschrieben und abgebildet getestet. Zur Überprüfung der Haftspannung zwischen Glas und Metalloberfläche (Edelstahl bzw. Aluminium) wurde zunächst ein Glasklötzchen vollflächig mit der Metallfolie verklebt und anschließend eine partiell überlappende Verklebung hergestellt. 16

18 Bei verschiedenen Modifikationen des neu entwickelten ORMOCER -Klebesystems war die Haftkraft sowohl bei den Glas/Glas- als auch bei den Glas/Metallverklebungen so gut, dass in den Druckversuchen der Bruch immer im Glas auftrat (Bild 2 und 3; Kohäsionsbruch; damit liegen die Haftspannungen bei > 30 MPa). Verklebung Glas Bild 2: Mikroskopaufnahme der Verklebung nach dem Druckversuch; der Bruch tritt beidseitig im Glas und nicht im Kleber auf Bild 3: Druckversuch einer Hybridpolymer-Verklebung von Glas/Metall 17

19 Weitere Bewertung der hybridpolymeren Klebstoffe Die neu entwickelten hybridpolymeren Systeme zeichnen sich durch gute Haftung zu Glasoberflächen, zu low-e-beschichteten Glasoberflächen und zu verschiedenen Metalloberflächen - initial und bei Feuchteeinwirkung - aus und zeigen eine gute Haftspannung. Die Materialien wurden bereits erfolgreich beim Setzten von Stützen (verschiedene Glas- aber auch Metallkugeln: manuell und maschinell) sowie bei Randverbundverklebungen in Hybridbauweise zur Herstellung von Labormustern und Demonstratoren eingesetzt. Es konnten verschiedene Chargengrößen der neu entwickelten Hybridpolymerkleber über den Sol-Gel Prozess reproduzierbar synthetisiert und für die Bauteilherstellung zur Verfügung gestellt werden. Dabei wurde u. a. die Viskosität für die Verwendung in einer automatischen Dosiereinrichtung angepasst. Zur Bestimmung der Barriereeigenschaften wurde mit ORMOCER -Klebesystems beschichtetes Folienmaterial hergestellt und am ZAE gemessen. Auch kommerzielle Kleber wurden am ISC auf Folien appliziert und am ZAE vermessen. Nachdem zunächst einige kommerzielle und Hybridpolymerkleber mit Permeabilitätskoeffizienten von 3-8 x cm 2 /s bei entsprechender Ausgestaltung des Randverbundes als genügend dicht eingestuft wurden, zeigten neue Berechnungen des ZAE im vierten Quartal der Projektlaufzeit, dass ein dichter Randverbund nur mit Klebern (sowohl Marktprodukte als auch die neu entwickelten Hybridpolymerkleber) nicht möglich ist. Auch das Aufkleben von Metallfolie mit entsprechend langem Diffusionsweg (bei maximaler Auslegung der Weglänge entspricht dies ca. 15 mm) und möglichst dünner Klebefuge von maximal 10 µm führt rechnerisch nicht zu ausreichend dichten Produkten! Prinzipiell bestehen jedoch zwei Möglichkeiten für den Randverbund mit Klebern weiterzuarbeiten: Die zusätzliche Verwendung von Gettermaterialien: Die zusätzliche Verwendung von Gettermaterialien ist evtl. machbar, aber aufwendig und teuer. Die Getterhersteller sehen diese Vorgehensweise kritisch: Die Zündwerte der Gettermaterialien liegen bei ca. 350 C über Tage hinweg bzw. bei 1000 C für 1 min. Bei dieser Variante müssten die Getter vorher im Vakuum aktiviert und anschließend die Kleber aufgebracht werden. Die Kombination mit weiteren Dichtungen: Die im Projekt untersuchten Klebstoffe, die sich durch gute Haftung zu Glas und Metalloberflächen auszeichnen können nach wie vor bei einem mehrstufigen Randverbund zur Stabilisierung des Randbereichs eingesetzt werden, da ein Randverbund mit eingeklebtem Glas- bzw. Metallstreifen stabiler ist als eine punktuelle Verbindung nur über die Stützen. 3.3 Stützenauswahl Für die Stützenauswahl wurden zahlreiche Material- und Formenkombinationen vorgenommen. Mit folgenden Stützen wurden Anschauungsmustern zur optischen und mechanischen Bewertung hergestellt: Glaskugeln 1 mm (mattiert- grau; poliert) Glaskugeln 0,75 mm (mattiert- grau; poliert) Glaskugeln 0,5 mm (poliert) Glasröhrchen Innen- 0,5mm, Außen- 1,0mm Glasröhrchen Innen- 0,5mm, Außen- 3,0mm Glaszylinder 0,5 mm, Höhe 1,0 mm Glaszylinder 1,0 mm, Höhe 1,0 mm grau Metallzylinder 1,0 mm, Höhe 1,0 mm Metallkugeln 0,75 mm Metallkugeln 0,5 mm Metallkugeln 0,5 mm weiß 18

20 Optische Bewertung Von der ROTO FRANK Bauelemente GmbH wurde von den Anschauungsmustern eine Umfrage zur optischen Bewertung durchgeführt (Bild 4). Hierbei wurden die Glaszylinder und Glaskugeln < 1 mm mit einem potentiellen Käuferanteil von > 70 % am besten bewertet. Die 1-mm-Glaskugeln und die 0,75-mm-Metallkugeln kommen mit einem Käuferanteil von ca. 50 % noch in die weitere Auswahl. Bild 4: Optische Bewertung der Stützen, durchgeführt von der ROTO FRANK Bauelemente GmbH Mechanische Bewertung Zur Untersuchung der mechanischen Belastbarkeit wurden die Stützen zwischen Floatglasscheiben eingebracht und in einer Universalprüfmaschine auf ihre Druckfestigkeit getestet. Die Belastung durch das Vakuum liegt bei ca Pa. Es stellte sich heraus, dass die Glasröhrchen den Vakuumbedingungen nicht genügen. Die Glaskugeln können mit einem Sicherheitsfaktor von 50 % bis zu einer Rasterweite von 30 mm eingesetzt werden. Metallstützen können auch mit größeren Rasterweiten gesetzt werden bzw. weisen eine höhere Sicherheit gegen Überlastung auf. Hagelschlagversuche zeigten bezüglich der Glaskugeln eine deutlich geringere Schädigungsschwelle als Glaszylinder und insbesondere Metallkugeln und zylindern. Thermische Bewertung Bei der thermischen Bewertung der Stützen gehen die Wärmeleitfähigkeit der Materialien, die Auflagefläche und die Rasterweite ein. Simulationen zeigten, dass durch die geringe Auflagefläche der Kugelform und die erhöhte Rasterweite von 40 mm der U-Wert des Glases auch bei metallischen Stützen bis auf 0,44 W/m 2 K gedrückt werden kann und damit in der selben Größenordnung wie der U-Wert von Scheiben mit Glaszylindern als Stützen liegt (0,45 W/m 2 K). Gesamtbewertung der Stützen Aus den dargestellten Ergebnissen der optischen, mechanischen und thermischen Bewertung der Stützenmaterialien und formen zeigen sich die gegenläufigen Tendenzen der einzelnen Bewertungskriterien. Während für die Optik und die Thermik möglichst kleine Stützen mit geringer Auflagefläche gewünscht werden, ist in der Mechanik eine große Auflage- und Querschnittsfläche von Vorteil, so dass in der Gesamtbewertung ein Kompromiss zwischen den optimalen Ergebnissen der Einzelkriterien gefunden werden muss. Hier zeichnen sich der Glaszylinder und die Metallkugeln als geeignete Kompromisslösungen ab. 19

21 3.4 Trocknungsverfahren Während der Lagerung und der Bearbeitung von Glasscheiben kommt es zur Ablagerung von Feuchtigkeit auf der Glasoberfläche. Ein Einbau von feuchten Gläsern in ein Vakuumsystem, wie es VIG- Scheiben darstellen, würde mit der Zeit zu einem Abdampfen der Feuchtigkeit und somit zu einem Anstieg des Gasdrucks in der VIG- Scheibe und folglich zu einer Reduzierung der Isoliereigenschaften führen. Vor dem Zusammenbau der VIG- Scheiben ist deshalb ein Trocknungsverfahren einzusetzen. Von den getesteten Verfahren zeigte sich die Ionensputterung als die effektivste Trocknungsmethode. Die Feuchtigkeit konnte bereits bei Beschleunigungsspannungen von 500 V von der Glasoberfläche entfernt werden. Bild 5 zeigt Ergebnisse einer ToF-SIMS-Analyse hinsichtlich der Auswirkungen von Ionensputtern auf den Gehalt an Kohlenstoff-haltigen Substanzen sowie auf die Restfeuchtigkeit auf der Glasoberfläche. Wenige Sekunden nach dem Sputtern ist die Feuchtigkeit von der Oberfläche entfernt Sputterbeginn Intensität in counts C H_3O Zeit in Sekunden Bild 5: ToF-SIMS-Analyse der Auswirkungen von Ionensputtern auf den Gehalt an Kohlenstoffhaltigen Substanzen sowie aus Restfeuchtigkeit. Wenige Sekunden nach dem Sputtern ist die Feuchtigkeit von der Oberfläche entfernt. 3.5 Verwertungsplan Die Fraunhofer Gesellschaft verwertet als gemeinnützige Forschungseinrichtung und in Übereinstimmung mit den Satzungszwecken (Auftragsforschung, Technologietransfer) ihre Ergebnisse nicht durch eigene Produktion oder eigenen Vertrieb. Projektergebnisse des Institutes dienen als Grundlage für weitere Projekte und werden durch Lizenzvergabe an Dritte genutzt und verwertet. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der Entwicklung und Charakterisierung von lösemittelfreien Ormocer-Barriereklebern, der Einflüsse der Stützenformen und materialien auf die thermischen, mechanischen und optischen Eigenschaften sowie des Trocknens von Glas mittels Ionensputtern stellen einen wichtigen Know-how-Gewinn für das ISC dar. Auch die Erkenntnisse bezüglich der Glaslotauswahl und - optimierung für Laserbehandlung (in Kooperation mit dem IWM; siehe IWM- Part) können in laufenden Projekten genutzt werden und stellen ein wichtiges Akquisitionsmittel von anwendungsorientierten Projekten mit ähnlichen Themenstellungen dar. 20

22 4 Entwicklung eines Randverbunds und Untersuchung von Materialien im Vakuumisolierglas 4.1 Zusammenfassung Dr. Markus Arntzen, Dipl.-Ing Wolfgang Graf Fraunhofer ISE, Freiburg Das Fraunhofer ISE hat grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung eines Randverbundes sowie zur Eignung verschieden vorbehandelter Gläser und Materialien in einem Vakuumisolierglas durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse sind folgende: Das Verschweißen der ausgewählten Randverbundmaterialien funktioniert sowohl unter Normalbedingungen als auch im Vakuum wie erwünscht, damit ist es möglich aus zwei Halbzeugen ein Vakuumisolierglas zu fügen. Die endgültige Verifizierung des Verfahrens zur Anwendung in großen Stückzahlen und Maßen ist jedoch nur in einer Pilotanlage möglich. Das Verbinden der Metallstreifen mit dem Glas gelingt unter bestimmten Randbedingungen. Ein vollständig funktionalisiertes Muster in der erforderlichen Größe konnte bis zum Projektende jedoch nicht hergestellt werden. Die am ISE getesteten, in großen Mengen erhältlichen Abstandhalter scheinen unter Berücksichtigung der letzten Belastungstests ungeeignet. Hier ist noch Entwicklungsbedarf abzusehen. Mit industriell zur Verfügung stehenden Materialien ist es prinzipiell möglich, das notwendige Vakuum über die Lebensdauer aufrecht zu erhalten. Vorrausetzung hierzu ist natürlich ein Randverbund mit der angestrebten Dichtigkeit und die Trocknung der beteiligten Scheiben. Kommerziell erhältliches ESG ist nicht ohne weiteres zu Vakuumisolierglas verarbeitbar, dies gilt ebenfalls für die Verwendung von gebogenen Gläsern. 4.2 Anforderungen an Leckrate und Ausgasungsverhalten eines Vakuumisolierglases Nach Berechnungen des ZAE darf der Innendruck eines Vakuumisolierglases einen Wert von p = 1 x 10-3 mbar nicht überschreiten wenn der angestrebte U G -Wert über die Lebensdauer von 25 Jahren erhalten bleiben soll. Umgerechnet auf die in der Vakuumtechnik üblichen Einheiten entspricht dies einer Leckrate von Q L ~ 1 x x mbar l/s. Dies entspricht der Leckrate wie sie für kleine Atome beim Durchgang durch Festkörper auftreten. Eine besondere Bedeutung haben neben ggf. vorhandenen Lecks und der Permeation durch das Randverbundmaterial die Ausgasungen der verbauten Materialien. Hier spielt zunächst die Oberflächenbelegung des Glases die größte Rolle. Mit einer Oberflächenbelegung H 2 O/m 2 von ca. 10 mg/m 2 wie sie typisch für Glasoberflächen ist, erhält man rechnerisch einen Druckanstieg von ca. 40 mbar im Isolierglas (V Isolierglas = 1 l), welcher einer virtuellen Leckrate von Q L ~ 5 x 10-8 mbar l/s bezogen auf eine angenommene Lebensdauer von 25 Jahren entspricht. Zur Aufrechterhaltung des Vakuums in einer Vakuumisolierglaseinheit spielt neben der Dichtheit gegenüber eindringenden Gasen auch die Unterdrückung von Ausgasungen eine erhebliche Rolle. Die größte Rolle spielt eine Belegung aller Oberflächen mit Wassermolekülen. Eine Trocknung des Glases, i.e. die Entfernung der Oberflächenbelegung mit Wassermolekülen kann nur unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre erfolgen, in der auch die abschließende Versiegelung durchgeführt werden muss. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen findet eine sofortige Belegung aller Oberflächen mit mehreren Monolagen Wasser statt. Bei Verzicht auf thermische Behandlung und den damit verbundenen langen Prozesszeiten und hohen Prozesstemperaturen sind Plasmaprozesse viel versprechend. Da eine vollständige Entfernung von Oberflächenbelegungen nicht möglich ist und ebenso eine geringe Restausgasung selbst aus Festkörpermaterial unterdrückt werden muss, sind entsprechende Mechanismen notwendig um dem Druckanstieg vorzubeugen indem die freiwerdenden Materialien physikalisch und chemisch absorbiert werden. Mit diesem Maßnahmen ist ein industriell einsetzbarer Prozess zur Oberflächentrocknung gegeben. 21

23 4.3 Eignung von Einscheibensicherheitsglas für VIG-Einheiten Die Verwendung von Einscheibensicherheitsglas (ESG) in VIG-Einheiten wurde untersucht, da die thermische Belastung während der verschiedenen Prozesse zu Veränderungen im Spannungszustand von ESG führen kann. Zur Beurteilung der Spannungszustände im Glas wurden zunächst nur die Bruchbilder von verarbeiteten Testscheiben des Formats 35 x 15 cm 2 untersucht, um den interessierenden Bereich einzugrenzen. Im weiteren Verlauf wurden dann auch Spannungsmessungen mit einem Messgerät der Fa. BBG durchgeführt (Hersteller: Fa. Strainoptics). Als Referenz wurden Bruchbilder von unbehandelten ESG-Scheiben herangezogen. Scheiben, die oberhalb einer Temperatur von ca. 400 C verarbeitet wurden (bei gleichen Prozesszeiten), zeigten stets das gleiche Verhalten: der spontane Zerfall in viele kleine Bruchstücke findet nicht mehr statt, stattdessen findet man große Risse die, ausgehend vom Anschlagspunkt, quer durch die Scheibe laufen (Abb. 1). Abb. 8: Bruchbild einer ESG-Scheibe, die bei Temperaturen > 400 C entspannt wurde. Die Verarbeitbarkeit der vorhandenen ESG-Scheiben der Firma VISIO Glas wurde geprüft, indem eine beschichtete Gegenscheibe mit Glaskugelabstandhaltern und einer ESG-Scheibe zusammengebaut werden. Als Randverbund wurde 3M-Vorlegeband verwendet, welches zusätzlich an den Stossstellen mit Butyl gedichtet wurde. Die Verglasung wurde über Kanülen abgepumpt und das Messgerät an einer gegenüberliegenden Seite angeschlossen. Aus den Ergebnissen ist abzuleiten, dass die zurzeit technisch verfügbaren vorgespannten Gläser aus industriell beherrschten Prozessen nicht direkt zu Vakuumisoliergläsern verarbeitet werden können. 4.4 Eignung von gebogenem Glas Zur Evaluierung des Einsatzes von 3-dimensional gekrümmtem Glas zur Verarbeitung zu Vakuumisoliergläsern wurden verschiedene Muster geometrisch untersucht. Aufgrund der eingeschränkten Messgenauigkeit des verwendeten Verfahrens konnten nur die Obergrenzen der resultierenden der Spaltmaße ermittelt werden. Scheibenzwischenraum an kurzer Kante (Krümmungsrichtung): mm Scheibenzwischenraum an langer Kante: mm Scheibenzwischenraum in der Fläche: mm Die Toleranzen der Scheiben scheinen damit in einem Bereich zu liegen, der für die Herstellung von Vakuumisoliergläsern zu groß ist. 22

24 4.5 Belastungstests an Vakuumisolierglaseinheiten Aufgrund der gegenüber einem herkömmlichen Isolierglas vollständig anderen mechanischen Randbedingungen wurden neben den Versuchen im Teststand am ZAE weitere Belastungstests durchgeführt. Bei Kugeln als Abstandhalter waren von vorneherein kritische Punktlasten zu erwarten, des weiteren verhält sich ein Vakuumisolierglas auch insofern anders, als das beide Scheiben über die lastenden Kräfte durch den Luftdruck und die Abstandhalter gekoppelt sind und damit beide Scheiben auf äußere mechanische Einwirkungen immer zugleich reagieren. Der erste Belastungstest bestand für jedes untersuchte Muster jeweils aus mehrmaligen (5x) Abpumpen auf relevante Druckwerte unter 50 mbar welche 95% der maximal möglichen Belastung entsprechen und in der Größe der natürlich vorkommenden Luftdruckschwankungen liegen. Es wurden zuerst Musterscheiben mit Glaskugeln als Abstandhalter untersucht. Bis zu einem Druck von ca. 180 mbar waren keine Auffälligkeiten zu beobachten, danach zerplatze ca. 9 cm von einer Ecke entfernt die erste Glaskugel, kurz danach die zweite, fast alle übrigen folgten schlagartig. 1 2 Abb. 2: Foto einer zerstörten Musterscheibe. Die erste und zweite zerplatzende Kugel konnten noch eindeutig identifiziert werden (rote Pfeile). Einige unzerstörte Glaskugeln blieben erhalten (grüner Pfeil). In der linken oberen Ecke wurde abgesaugt, in der rechten oberen Ecke wurde die Druckmessröhre angeschlossen. Das Rastermaß für die Abstandhalter wurde daraufhin angepasst und im Weiteren auf unkritische Werte verkleinert. Sowohl bei Glaskugeln als auch bei Metallkugeln sowie den gesinterten Abstandhalter konnten daraufhin in dieser Phase keine weiteren Ausfälle beobachtet werden. Um insbesondere punktförmige äußere Krafteinwirkung zu untersuchen wurde ein Hageltest konzipiert: Stahlkugeln verschiedener Größe und Gicht wurden aus definierter Höhe auf Vakuumisoliergläsermuster fallen gelassen. Die Gläser befanden sich dabei jeweils unter Vakuum um die wirkenden Kräfte realistisch und maximal zu gestalten. Als Orientierung diente hierbei der mittlerweile verbreitete Hageltest für Sonnenkollektoren und andere Dachaufbauten. Eine Kunststoffröhre wurde mit einer Stativhalterung so befestigt, dass die durchschnittliche Fallhöhe von einem Meter eingehalten werden konnte, zur schnelleren Abwicklung des Test konnten die Kugeln über einen Trichter zugeführt werden. Die verwendeten Stahlkugeln hatten ein Gewicht von 2 g und 4 g. Die kinetische Energie der kleinen Stahlkugeln entspricht hierbei dem eines typischen, in normalen Schauern vorkommenden Hagelkorns mit einem Durchmesser von 1 cm: E ~ 0,025 J (bei senkrechtem Einfall auf die Oberfläche). 23