真空绝热板内部真空度的影响因素分析及改善措施(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连水产学院,制冷教研室 作者:张宁

  真空绝热板(Vacuum Insulated Panel ,VIP)是一种超绝热的保温材料,厚度薄,一般在17 mm左右,其导热系数极低,可以达到0.004 W/(m·K)左右,而一般的保温材料导热系数为0.03W/(m·K)左右。VIP 的应用范围比较广泛,目前已经应用到冰箱、冷库、冷藏集装箱和医用保温箱等领域。真空绝热板的性能及使用寿命的长短,很大程度上取决于VIP 内部真空度的高低。因此本文对影响VIP 内部真空度的因素:气体的渗透和内部芯材放气,做了理论分析研究,为VIP 的制作提供依据。

1、板内真空度高低的影响

  VIP的芯层多为粉末或者纤维状,在导热过程中,气体的导热起了很大的作用,如果芯层被抽成真空的话,就可以显著降低VIP 芯材的导热系数,对于提高真空绝热板的性能和延长其使用寿命越有利。图1 为几种典型芯材真空绝热板导热系数与板内气体压力的关系。

 几种典型芯材真空绝热板导热系数与板内气体压力的关系

1. 玻璃纤维 2. 聚氨酯发泡体 3. 聚苯乙烯发泡体 4. 沉淀法SiO2  5.纳米孔硅质材料


图1 几种典型芯材真空绝热板导热系数与板内气体压力的关系

  从图1 可以看出,气体压力从大气压降到103 Pa 时,导热系数保持为常数,即该压力范围内的导热系数与绝热层中气体压力无关;当压力进一步降低,即压力为1~103 Pa 之间时,导热系数随着压力的下降也呈下降变化趋势;在压力低于1 Pa 时,导热系数趋于常数,这时气体导热所占比重很小。

2、影响真空绝热板真空度的因素

2.1、气体的渗透

2.1.1、气体渗透的方式

  ① VIP 芯材在抽真空密封制作时, 会有少量空气进入, 这些气体包括氮气、氧气、二氧化碳和水蒸汽等;

  ② 对于成品芯材, 会有少量空气通过边缘粘结处渗入;

  ③ 在使用过程中, 也会有少量气体透过表面薄膜进入VIP 中;

  ④ 由于VIP 内部是真空环境, 在使用过程中, 溶解在内部芯材中的气体和水蒸汽会产生真空放气现象。

2.1.2、气体渗透的影响

  芯层绝热材料为多孔结构,容易吸收水分。另外,芯层材料在使用的过程中, 也会因老化分解而释放一部分水分和气体。水的导热系数为空气的25 倍, 研究表明: 当含湿率大于5%~10%,绝热材料吸湿后水分占据了多空介质的气孔空间,引起其导热系数的急剧升高。导热系数为0.03 W/m·K 的绝热材料, 吸取1%的水分后导热系数增加25%,以后按倍数增加。如果绝热材料有开口连通气孔, 水分会在毛细管作用下渗透到其他部位,危害更大。随着时间延长,越来越多的气体渗透进入到真空绝热板,板内的真空压力会在一定程度上升高,从而降低VIP 的真空度,以至增大导热系数,严重影响绝热效果。图2,3 分别为随着水蒸汽和氧气不断渗透压力的变化情况。

三种真空板内的压力与水蒸汽渗透的变化情况 不同氧气渗透速率与真空板内压力随时间的变化情况

图2 不同氧气渗透速率与真空板内压力随时间的变化情况

1.开孔发泡塑料 2.纳米孔芯材 3.沉淀法SiO2

图3 三种真空板内的压力与水蒸汽渗透的变化情况

2.2、内部芯材放气的来源及影响

  由于泡沫芯材实际开孔率为95%左右,还存在少量闭孔。在真空环境中,闭孔泡沫中的气体和泡沫壁中溶解的极少量发泡剂以及胺催化剂等挥发成分会缓慢逸出,发生真空放气现象;另外在箱体发泡过程中,箱体的预热(约50℃)使芯材表面温度升高,加快上述气体的逸出,释放出的气体导致真空度下降,降低了绝热性能。芯材放气与压力的关系如图4 可知:在20 年中,随着时间的延长,气体缓慢逸出,并逐渐增多,致使芯材内部压力的上升,因而导致导热系数增大,VIP 的隔热性能恶化。

 20年中的气体逸出量与内部压力变化的关系

图4 20 年中的气体逸出量与内部压力变化的关系

3、提高真空绝热板真空度的途径

  真空度的高低是衡量真空绝热板性能及使用寿命长短的重要指标,为保证板内较高的真空度,提高VIP 的隔热性能,可以从以减少气体渗透和芯材放气方面着手。

3.1、减少气体的渗透

3.1.1、表面薄膜的选取

  早期的表面隔膜采用金属膜, 虽然这种膜有着很强的抵抗气体渗透能力, 但金属增加了板的传热性, 热量会顺着含有金属的边缘进行渗透, 这样导致热量损失比较严重, 它与现在广泛使用的表面隔膜相比, 热量损失增加了49%。因此为了使隔膜既能提供较强的抗气渗透能力, 又能最大程度上减小热量的传递,现在大多采用了金属与塑料的复合膜, 以镀铝薄膜用得最多,它能够有效地抑制气体和水蒸汽的渗透速率, 使其保持在每天1 g/m2 以下。表1 为在典型使用条件下一些新型表面隔膜材料与传统表面隔膜材料在抗气体渗透性能方面的对比。

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