真空绝热板内部真空度的影响因素分析及改善措施(2)

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

表1 几种典型表面隔膜材料在抗气体渗透性能方面的比较

 几种典型表面隔膜材料在抗气体渗透性能方面的比较

  表1 表明,新开发的表面隔膜材料对气体的阻隔性能已大大由于金属复合膜的性能。对金属的取代意味着真空绝热板的边界热效应基本可以消除,可以进一步提高真空绝热板的绝热性能。

3.1.2、干燥剂与吸气剂的使用

  吸气剂及干燥剂都是用来吸收来自真空绝热板内的气体,以维持板内真空压力,保证真空绝热板的使用寿命。由于吸气剂具有高度的选择性,因此,在选择吸气剂的类型时,应根据芯材及表面薄膜类型,对真空板内可能出现的气体进行较为准确的分析预测。同时,根据真空板内气体的可能数量及对真空板的预期使用寿命,确定吸气剂及干燥剂的用量。此外,对于大部分吸气剂,在吸收了水汽后,其吸气性能将受到严重影响,因此在吸气剂与干燥剂的布置上应遵循“先干燥,后吸气”的原则,以最大程度上发挥吸气剂与干燥剂的效能。

  此外,在吸气剂开发方面,以SAES 为代表的吸气剂生产厂家开发了一种商品名叫做COMBOGETTERTM 的吸气剂,它是由钡和锂以1:4的比例配制而成的新型合金材料,并在室温下发生了化学吸收现象:其每克合金所吸收的氮气量超过了25 mbar; 并且在合金中添加了CaO 和Co3O4 的化学物质,这样不但能够吸收水汽、氢气还能充分吸收VIP 使用过程中的溶解在泡沫壁内的发泡剂R141b 和环戊烷。

3.1.3、真空绝热板外形尺寸的筛选

  对于同一种材质,同一制造工艺而言,气体渗透及泄漏的程度与几何尺寸的大小直接相关。表面薄膜面积愈大,封口愈长,则真空绝热板内的气体渗透及泄漏现象也愈严重。此外,真空绝热板的外形尺寸对其边界传热效应的影响也很密切。在尺寸大的VIP 中, 表面隔膜的面积与密封剂面积(密封层的厚度乘以密封长度) 之比很大, 这样水蒸汽主要由表面隔膜向内部渗透。相反, 在小面积的板材中, 粘结剂的面积占有很大的比重, 水蒸汽通过密封剂的渗透也占有很大的比例。水蒸汽压力大小与周长成线性回归关系如图5,结论如下(注:AF 材料为铝膜,MF 材料为多层铝膜;1,2 为不同几何尺寸)。

  (1) 采用不同的表面薄膜其压力增长率不同,其中以应用MF1 的压力增长率最高;

  (2) 压力增长率的快慢很大程度上取决于温度的高低;

  (3) 随着时间延长,芯材周长每扩大1 倍,水蒸汽压力大约增大50%左右。

 随着时间变化几种不同尺寸芯材的压力变化情况

温度、压力分别为:45℃,14mbar;选用的芯材材料分别为MF1,AF,MF2;尺寸分别为10×10×1 cm3 和20×20×1 cm3

图5 随着时间变化几种不同尺寸芯材的压力变化情况

3.2、减少内部芯材放气

3.2.1、芯材封装前的预处理

  国外文献中提到的将芯材在封装前进行预处理及在真空板中封入吸气剂的方法,对于解决VIP 的出气问题比较有效。本文应用的方法是将预处理及封装工艺结合起来进行,即将芯材在120℃下烘烤30 min 后,立刻在1.33~13.3 Pa 的真空度下进行抽空,同时封入一定量的吸气剂。经过处理的封装板材与未经处理的板材相比,导热系数随时间的变化很小,且能够保证板内较低的真空压力。

3.2.2、提高泡沫芯材开孔率的方法

  在实际应用中,泡沫芯材的开孔率并不能达到100%,是存在一定闭孔的,随着时间的变化,溶解在闭孔当中的气体会逐渐释放出来,致使内部压力上升,破坏芯材内部的真空度,令真空绝热板的性能恶化,因此泡沫芯材开孔率的高低对于板内压力高低的影响是不可忽略的。下面提出了提高泡沫芯材的开孔率的方法:

  (1) 开孔剂和泡沫稳定剂的相对含量的控制开孔剂用量高有助于泡沫开孔,却使孔径变大;反之,稳定剂虽有利于孔径优化,但却抑制泡沫开孔,因此,如何协调二者的关系是研究的难点。表2 列出了开孔剂质量分数为1 时不同质量分数的稳定剂对聚氨酯真空隔热板PU- VIP 泡沫开孔率和孔径的影响。


表2 稳定剂对芯材泡沫开孔率和孔径的影响

 稳定剂对芯材泡沫开孔率和孔径的影响

  由表2 可见,开孔剂和泡沫稳定剂在配方体系中虽用量很小,但其相对用量对泡沫开孔率及孔径大小的影响却十分显著。

  注: (1) 相对于100 质量份聚醚多元醇的用量;

  (2) 使用聚醚多元醇作为泡沫配制剂。

  对于采用聚醚多羟基化合物作为泡沫配制剂的芯材,其吸附活性强度对芯材泡沫开孔率的大小有很大影响,如采用高活性聚醚多元醇(羟值小于50 mgKOH/g),虽很容易得到高开孔率、细孔的理想泡沫,但泡沫强度差,难以达到要求,真空封装后泡沫易变形;反之,选用硬质PU 泡沫常用的高羟值低分子量的聚醚多元醇,虽解决了强度问题,但泡沫不易开孔,孔径也不理想。因此本文所选用的是两种国产高羟值聚醚多元醇为主的化合物,其羟值分别为400 和500 mgKOH/g,另加入一定量羟值小于50 mgKOH/g 低羟值的高活性聚醚多元醇。再通过调整开孔剂、稳定剂等助剂的用量,保证了芯材的强度达到要求,得到满意的产品。

4、结论

  尽管真空绝热板具有良好的绝热性能,但是内部压力的高低限制了其在实践中的应用,这主要是因为气体的渗透和内部芯材的放气降低了真空度,使绝热性能恶化。最近几年来,世界各国对真空绝热板的自主开发和研制取得了一定的研究成果,通过应用吸气剂、干燥剂、芯材尺寸大小的控制、芯材封装预处理以及泡沫芯材开孔率的提高等途径保证板内一定的真空度,使VIP 内部真空度控制在理想范围内,最终达到提高真空绝热板绝热性能的目的。

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