真空绝热板(VIP)绝热性能及其影响参数分析(3)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所,真空低温技术与物理国家级重点实验室 作者:温永刚

4.2、气体压力

  VIP 内部气体压力的变化对其影响显著,尤其是对于气相导热系数。当压力增大时,气体导热系数呈指数曲线上升,不同芯材对于气体压力变化的敏感程度不尽相同(见图3)。气体压力的上升主要是由于板材内部材料放气、外部空气及水蒸气通过阻气层薄膜渗透等因素所致,当VIP 板内压力上升达到一定量级时,其有效导热系数和芯材在大气环境下的导热系数一致,此时VIP 失效。为了延长VIP 使用寿命,必要时需要向板材内添加一定数量的吸气剂以延缓其内部气体压力的上升。

4.3、含湿率

  VIP 芯材含湿率对其整体板材绝热性能的影响关系重大。内部含湿率的增大主要是由于外界水蒸气通过板材阻气层孔洞或缺陷逐渐渗入板内而造成的,其关键指标由阻气层的水蒸气渗透率(WVTR)所决定。VIP 板材内部水蒸气含量的上升是导致VIP 整体性能下降甚至失效的主要因素之一,根据Hubert Schwab 等人的研究表明,VIP 有效导热系数近似与其内部水汽含量的上升成比例增长,水蒸气湿度含量每增加1%,则其导热系数上升约0.5×10-3 W/m·K。因而在VIP 生产过程中,除了对芯材的干燥处理工艺和封装工艺进行严格控制外,还要提高阻气层防渗透性能。

4.4、芯材密度

  芯材密度对VIP 整体绝热性能也有较为显著的影响,因为从微观角度而言,芯材密度的变化直接影响其固体导热,同时与辐射换热的大小也发生关联。一般而言,用于VIP 生产的芯材在其绝热性能表现上都存在一个最佳密度,在此密度下,芯材有效导热系数最小,该值可通过对芯材进行实验分析获得。

4.5、芯材特征尺度

  不同的芯材具有不同的特征尺度。特征尺度的大小决定了板材内残余气体的分子平均自由程大小,从而影响到VIP 整体有效导热系数。对于颗粒型芯材填充物而言,特征尺度取决于其粒径大小及颗粒均匀度;对于纤维型芯材填充物而言,特征尺度则取决于其纤维平均直径及孔隙率大小。

4.6、其他

  影响VIP 有效导热系数的因素除上述外,还有板材面积、芯材厚度、芯材比热容、辐射添加剂、芯材辐射特性、板内残余气体成分等,在此不一一论述。由此可见,VIP 产品的研发和应用是一项复杂而又庞大的系统工程,需要进行严格的质量控制并开展持续的工艺改进,才能保证VIP 生产质量及其有效使用寿命。

5、结论

  VIP 是采用微米/纳米级多孔材料作为绝热芯材,它表现出优异的绝热性能,相比传统绝热材料具有10倍以上的热阻。通过对其有效导热系数进行分析,表明影响VIP 的绝热性能主要由固体导热和辐射传热两部分构成,其中固体导热占有效导热系数的75%,辐射传热的影响占25%,而气体导热和对流换热则可忽略不计。但是当温差加大时,辐射换热系数的影响将大幅度上升。通过VIP 绝热性能分析,可知影响其整体绝热性能的因素主要有温度、气体压力、含湿率、芯材密度及芯材颗粒度等多项参数,可在生产过程中针对薄弱环节进行改进,加强质量控制,以期全面提高VIP 产品质量及其绝热性能。

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