Development of vacuum glazing with advanced thermal properties

• Research unit: SFOE
• Project number: 102341

Key words (German)

TP0083;F-Gebäude

Short description (German)

Development of vacuum glazing with advanced thermal properties

Publications / Results (English)

After laying the technological foundation in 2007, the vacuum glazing project has entered the final prototyping and upscaling phase this year. Again all project goals could be met with exception of problems encountered on the prototyping side. The numerical analysis on heat transport and mechanical deflections was completed and the results published in scientific journals relevant to this field of research. Most importantly, the service life pre-diction model was completed and experimental model studies on cleaning efficacy of low-ε coated inner glazing surfaces carried out using state-of-the-art surface analytical tools. Those results suggest that the total pressure buildup over a typical 30 year service life can be kept at such low levels that the use of getter materials may become nonessential. In addition, a fast and economical edge sealing technology for vacuum glazing was devel-oped based on anodic bonding of an activated tin-based soft solder alloy in the liquid state at a typical tempera-ture of 300°C. This method is able to produce coherent, leak-tight seals over large glazing perimeters with rela-tive ease. The adaptation of this technology to fabricate large glazing prototypes was demonstrated for a 50cm by 30cm sealing sample. Dispensing of the solder alloy in the form of prefabricated wires however has proven quite tricky. For this reason a follow up project is planned to separately investigate the solder dispensing prob-lematic. To conclude, this project stands shortly before completion and all project milestones were complete success with the prototyping only counting as a partial success.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Koebel,Matthias M.

Related documents

• Development of Vacuum Glazing with Advanced Thermal Properties - Annual report 2007 [PDF] 58 kB
• A Feasibility Analysis of Evacuated Glazing with Advanced Thermal Properties - Jahresbericht 2008 [PDF] 135 kB

Final report (German)

Grossteil der Wärmeverluste darin aus. Wird der innenliegende Zwischenraunm in einem Fenster evakuiert, entsteht ein Vakuumglas und der Wärmeverlust verringert sich deutlich. Das Ziel dieses Projekts war es, Wissen und Technologien zum Bau bzw. zur Realisierung von Vakuumglas mit verbesserten thermischen Eigenschaften zu fördern. Genauer gesagt wurden diverse Strategien zur Verbesserung konventioneller Technologien untersucht. Dabei steht an erster Stelle die Entwicklung eines neuartigen Randverbundssystems bzw. Fügeverfahrens welches theoretisch die Grenzen des heute üblichen Glaslotverfahrens zu durchbrechen vermag. Das von uns entwickelte Verfahren ist rasch und preisgünstig, arbeitet bei deutlich niedereren Temperaturen und ist komplett vakuumtauglich. Die Methode wurde 2008 zum Patent angemeldet. Bezüglich thermischer Isolationsleistung und thermomechanischen Eigenschaften des Vakuumverbundglases wurden rechnerische Studien durchgeführt und die Resultate publiziert. Diese zeigen auf, dass sowohl Gesamtwärmeduchgang als auch mechanisches Durchbiegen des Glases unter thermischer Beanspruchung stark nichtlineares Verhalten aufweisen. Zudem wurde ein Lebensdauermodell aufgestellt, welches eine Auswahl von Parametern definiert, welche über Erreichbarkeit einer Lebensdauer von 30 Jahren Lebensdauer bei einem Druckanstieg unter 0.1 Pa bestimmt. Das Modell berücksichtigt vier mögliche Ursachen des Druckanstiegs sowie das Gettermaterial welches als Senke wirkt. Zur Herstellung von 0.5m mal 0.5m grossen Verbundprototypen wurde eigens eine Hochvakuumanlage geplant und aufgebaut sowie ein erstes Muster darin hergestellt. Die Herstellung von verbesserten Prototypen mit besonderem Schwerpunkt auf prozessrelevanten Faktoren ist das Ziel eines durch den EKZ Innovationsfonds geförderten Nachfolgeprojekts, welches bereits begonnen hat. Diese Arbeit wurde durch das Schweizerische Bundesamt für Energie (BFE) unterstützt.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Koebel,Matthias M.
Manz,Heinrich

Final report (English)

Windows constitute a weak link in the building envelope and hence contribute significantly to the total heating energy demand in buildings. By evacuating the glazing cavity a vacuum glazing is created and heat transfer can be significantly reduced. This project was designed to build knowledge and technology necessary to fabricate vacuum glazing with advanced thermal properties. More specifically, various strategies for improvement on conventional technology were investigated. Of central importance was the development of a novel edge sealing approach which can in theory circumvent the main limitation of conventional glass soldering technology. This approach which is rapid, low temperature, low cost and completely vacuum compatible was filed for patenting in 2008. With regards to thermal insulation performance and glazing deflection, numerical studies were performed demonstrating the importance of nonlinear behavior with glazing size and the results published. A detailed service life prediction model was elaborated which defines a set of parameters necessary to keep the expected pressure increase below a threshold value of 0.1Pa after 30 years. The model takes into account four possible sources of pressure increase and a getter material which acts as a sink. For the production of 0.5m by 0.5m glazing assembly prototypes, a high vacuum chamber was constructed and a first sealing prototype realized therein. The manufacture of improved prototypes and optimization of the anodic bonding edge sealing technology with emphasis on process relevant aspects is the goal of a follow-up project supported by the EKZ innovation fund which is currently on its way. This work was funded by the Swiss Federal Office of Energy (BFE).

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EMPA

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Koebel,Matthias M.
Manz,Heinrich

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• Development of Vacuum glazing with advanced thermal properties - Schlussbericht [PDF] 4'745 kB