真空绝热板部件真空出气性能及机理分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连海洋大学机械与动力工程学院 作者:杨春光

  真空绝热板是近几年发展起来的一种超级绝热材料,其内部真空度的保持是维持其低导热系数的关键因素。真空绝热板中的表面隔膜及内部芯材的真空出气是破坏板内部真空环境引起其绝热性能下降的主要原因之一,本文重点对不锈钢、AF 及MF 类表面隔膜以及气相二氧化硅和泡沫类芯材的真空出气性能及真空出气途径机理进行了系统的分析,在此基础上提出了降低部件真空出气的有效途径,为优化真空绝热板整体性能奠定了基础。

  关键词:真空绝热板;出气;表面隔膜;多孔材料

  真空绝热板(Vacuum Insulation Panels,简称VIPs)技术是近年来发展起来的一种超级绝热技术,其初始热阻是传统绝热材料的五至八倍。在建筑维护结构、冷冻冷藏装置、低温液体储运装置、热水器保温结构等领域有着巨大的应用潜力,不仅大幅度节约能源,而且对于促进二氧化碳减排有着巨大的推动作用。VIPs 是将多孔性(开孔)芯材、吸气剂和干燥剂放置于具有较强气体及水蒸汽阻隔性能的表面隔膜中,经抽真空及热封工艺组装而成。其总热导率可以表示为:

ktot = kr+ks+kg (1)

  式(1)中ktot 为总热导率,kr 是辐射热导率,kg 为板内残余气体热导率,ks 为固体芯材热导率。VIPs技术之所以具有如此高的绝热性能,一方面通过抽真空消除了气体对流传热,另一方面由于真空环境和内部芯材微小的泡孔尺寸有效提高了Kn系数(气体分子平均自由程与泡孔尺寸的比值),从而大幅度降低了气体热导率。不同芯材热导率随板内部压力的变化见图1[1]。

真空绝热板部件真空出气性能及机理分析

  从图1 中可见,VIPs 内部真空度和芯材泡孔尺寸对于其绝热性能起着决定性的作用。在VIPs使用寿命内如何保持板内真空,是此领域的关键研究方向之一。

  VIPs 内部真空度随着时间的延长会逐渐遭到破坏,一种破坏途径是由于板内外存在压力差,外部气体和水蒸汽会透过表面隔膜及热封边缘向板内渗透,另外就是芯材、表面隔膜等在真空环境下会产生真空放气现象,导致板内部压力上升。对于前者,国外学者针对气相二氧化硅为芯材的VIPs 做了大量的研究工作,对表面隔膜的气体渗透性能及对VIPs 热导率的影响进行了深入的研究。内部芯材真空放气是影响VIPs 长期绝热性能的另一个主要因素,特别是对于有机芯材,其真空放气的影响更大。

  目前,对于真空绝热板真空放气现象已经进行了一定的研究, 早在1997 年,WEI- HANTAO [2] 采用烘烤的方法对开孔聚氨酯泡沫进行除气预处理,考察了不同烘烤温度及不同吸气剂对VIPs 长期热导率的影响,但没有对芯材放气速率进行系统的定量研究。1998 年,Nemanic[3 ]等对真空绝热板内玻璃陶瓷材料及不锈钢表面隔膜的放气性能进行了测试。1999 年,专业生产吸气剂的意大利SAES 公司[4 ]采用涡轮分子泵机组将开孔聚氨酯泡沫所在真空室抽至10- 4 Pa,运用压力上升法对其放气速率进行了测试,并利用质谱仪对放气组分进行了分析。

  2007 年,Yang[ 5 ]等采用小孔流导法对开孔率大于95%的硬质聚氨酯泡沫的放气速率进行了研究, 考察了不同温度环境对放气速率的影响。同传统的体型芯材如泡沫芯材、颗粒板芯材及玻璃纤维板芯材不同, 最近Jae- SungKwon [ 6 , 7 ]等采用压力上升率法对多层交错布置的聚碳酸酯芯材及其辐射屏进行了放气性能及芯材扩散系数的实验研究。本文在前人研究的基础上对构成VIPs 的表面隔膜及内部芯材的放气性能进行了全面总结, 在真空放气理论及相应材料的组成结构基础上对上述两个部件的真空放气机理进行了深入分析,从放气真空负荷的角度为优化VIPs 的整体性能奠定了基础。

1、VIPs 表面隔膜的放气性能与放气机理

  真空绝热板(VIPs)表面隔膜的放气性能与放气机理

  http://www.chvacuum.com/application/else/032873.html

2、VIPs 芯材放气机理

  真空绝热板(VIPs)芯材放气机理

  http://www.chvacuum.com/application/else/032874.html

3、结论

  不锈钢表面隔膜真空放气速率小、阻隔性能强,如果采用空气环境高温烘烤辅以镀膜技术进行处理,其引起的VIPs 真空负荷可以忽略不计,但如何降低其热桥效应是一个有待深入研究的问题,可以从不锈钢薄膜边缘结构上加以改进增加其热流路径,或辅以其它隔热材料进行边缘填充以消除部分热流进行优化。对于芯材进行高温烘烤处理是比较适宜的,特别是对于纳米孔隙的气相二氧化硅材料,要确保有效去除内部的化学吸附水分。另外要进一步优化制作工艺,确保硅卤烷最大程度上缩聚完全。对于聚苯乙烯或聚氨酯泡沫芯材,除了进行400 K 以上的烘烤前处理外,尽可能在发泡过程中做到100%的开孔率,以消除闭孔内部气体的释放。进一步优化发泡工艺,另外在发泡过程中进行真空处理以进一步提升开孔率,或许是今后可尝试的一条有效途径。

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  真空绝热板(VIPs)表面隔膜的放气性能与放气机理

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