真空绝热板导热系数与板内真空度关系研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学金属强度国家重点实验室 作者:邸小波

  以理论模型计算和实验样品测试相对比的方法,研究了两种不同芯材真空绝热板导热系数与板内真空度之间的关系,利用逆真空法对真空绝热板板内压力进行了测试。探讨了真空绝热板制作工艺参数,保持板内真空度及延长使用寿命的方法。

  真空绝热板(Vacuum Insulation Panel 简称VIP) 是近年来发展起来的一种新型高效绝热材料。它是由填充芯材(Core Material)、气体阻隔膜(Gas Barrier)和吸气剂(Getter)组成的。通过提高板内真空度来降低空气引起的热传递,使其导热系数可以达到0.002~0.004 W/km,为传统保温材料导热系数的1/10,厚度仅为传统保温材料的1/7~1/10,从而达到保温节能、节省空间的目的。已广泛应于冰箱、医用保温箱、冷藏集装箱等对保温要求较高的领域以及新型节能建筑的外墙保温。

  本文分别利用气相二氧化硅和玻璃纤维作为芯材,在相同工艺条件下,制作出不同真空度的VIP 样品。通过对导热系数和板内压力的测试,结合芯材的孔结构,研究了导热系数随板内压力的变化关系,并从绝热机理进行了理论分析。

1、实验

1.1、试验样品制作

  本实验以气相二氧化硅和玻璃纤维为芯材原材料分别制作了7 块VIP。气相二氧化硅中加入适量的有机纤维,通过机械搅拌,混合均匀压制成型。玻璃纤维通过造纸工艺制得纤维毡,纤维毡叠加到一起制得玻璃纤维芯材。两种芯材的性能参数如表1。

芯材主要性能参数

表1 芯材主要性能参数

  VIP 样品制备过程:(1) 将芯材在200℃烘干2 h,快速取出芯材,用无纺布包裹气相二氧化硅芯材,以避免二氧化硅粉尘污染真空室真空泵设备,同时也对芯材起到保护作用;(2)将两种芯材分别装入铝塑复合的高阻隔薄膜袋中;(3)将14 块样板在真空室压力依次为5×10- 3 Pa、5×10- 2 Pa、0.5 Pa、5 Pa、50 Pa、500 Pa、5000 Pa 时进行封口,制得不同压力下的VIP 样板。

1.2、试验样品检测设备及原理

  导热系数采用热流计法,利用日本EKO 公司hc- 074- 304 型导热仪测试,测试条件:冷板温度5℃,热板温度35℃;测试环境:温度25℃,相对湿度RH<40%。板内压力检测采用自行设计的检测系统,该系统采用逆真空法[3],根据力平衡原理,当真空室的压力低于VIP 板内压力时,阻隔膜膨胀变形,通过激光测距仪测量变形量来检测板内压力,原理图如图1。

逆真空法测试板内压力检测系统

图1 逆真空法测试板内压力检测系统

  玻璃纤维芯材和气相二氧化硅芯材VIP 板导热系数随板内压力变化趋势基本上是一致的。不同的是玻璃纤维芯材在压力大于5 Pa 时,导热系数开始上升,而气相二氧化硅芯材导热系数在500 Pa 以上时才开始上升。这主要是由于孔结构尺寸造成的,对于玻璃纤维芯材,压力在5 Pa时空气分子自由程约为1.3 mm, 远大于孔径20 μm,而对于气相二氧化硅芯材,由于压力在500 Pa 时空气分子自由程约为13 μm 远大于孔径50 nm,此时气体的传热均已完全被阻止。因此在制作VIP 时,对玻璃纤维芯材,在板内压力低于1 Pa 时就可封口,气相二氧化硅芯材,在板内压力低于100 Pa 时就可封口,因为过分的降低板内压力影响制作效率,而对导热系数贡献不大。

  真空保护层在相同漏率的情况下,玻璃纤维VIP 使用寿命要远低于气相二氧化硅芯材VIP,玻璃纤维芯材VIP 在不到500 Pa 板内压力时已经失效,而气相二氧化硅芯材到5000 Pa 时才失效。因此,一般在玻璃纤维芯材VIP 中加入吸气剂或干燥剂。而且这种VIP 主要用于使用寿命在十年以内的领域,例如,冰箱、保温箱等,而气相二氧化硅可以用于建筑外墙保温,因为它的使用寿命可以达到30 年以上。

  另外,理论模型导热系数的计算值与测试值产生偏差的原因(尤其在板内压力较高时),首先,本模型本身就是一个简化模型,只对各传热因素采取了简单的代数和;其次,计算模型中没有考虑VIP 中水蒸气对导热系数的影响,水蒸气在VIP 中从热板到冷板可能会产生相变,形成热管,这样就会对导热系数产生很大的影响。本模型能够定性反映出导热系数与板内压力的关系,但是要确定出这种函数关系,还需要对计算模型进行完善。

4、结论

  (1)VIP 板内真空度较低时,真空度对导热系数影响不大,随着真空度的提高,导热系数急速下降,当真空度大于某一值后,导热系数趋于恒定,产生“S”型曲线。

  (2) 玻璃纤维芯材VIP 的初始导热系数低于气相二氧化硅芯材VIP 的初始导热系数。

  (3) 气相二氧化硅芯材VIP 在制作过程中,真空室真空度可以比玻璃纤维芯材低两个数量级。

  (4) 玻璃纤维芯材VIP 比较适合对绝热性能要求较高,使用寿命10 年左右的领域,而气相二氧化硅可以用于使用寿命长达30 年以上的领域。

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