真空绝热板中的热桥效应及其优化措施

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连水产学院 作者:杨春光

  真空绝热板的芯材具有很低的热导率, 但是用于维持真空度的高阻隔表面隔膜造成的热桥会使真空绝热板整体热导率明显提高。本文以国外近几年对热桥的相关研究为基础, 总结了热桥的研究方法, 热桥的影响因素及降低热桥效应的有效措施, 并且指出今后我国在真空绝热板热桥方面的发展方向。

  真空绝热板(Vacuum insulation panel) 简称VIP,是一种非常有效的热屏蔽物。它是基于真空绝热原理,由芯部的微孔材料与真空保护表面隔膜复合而成的新型、高效的绝热材料,(其外观及内部结构如图1)。VIP 生产和应用过程中,不使用ODS 物质,其绝热值为普通绝热材料的5~7 倍,但其厚度仅为普通绝热材料的1/7,具有环保和节能的双重优点。因此随着能源危机的日益加剧,VIP 越来越得到各行业的青睐。在国外,VIP 已应用于航空航天、交通运输、食品保藏、建筑等多个领域。在国内, VIP 的研究虽然起步较晚,但是随着海尔、青岛刚森塑料等公司对VIP 研究的深入,在制冷行业中VIP 正逐步得到广泛的应用,且显现着巨大的发展潜力。

  生产中,VIP 不仅需要具有优良的绝热特性,也需要具有令人满意的使用寿命,以满足行业需求(一般至少25 年,建筑行业为50 年)。据研究可知,影响其使用寿命的主要因素是表面隔膜的抗气性。目前已研制出气体渗透率较低,热导率较高的高阻隔复合表面隔膜。目前常用的复合表面隔膜分别为AF,MF1,MF2,MF3。但是经研究发现这种表面薄膜会在VIP 边界上形成热桥,明显地增加VIP 整体热导率。

 VIP外观及内部结构示意图

图1 VIP 外观及内部结构示意图

  根据“HiPTI- High performance thermal insulation of IEA/ECBCS Annex39”项目所做的研究可知:对于大小为50×100cm2,以金属薄膜作为表面隔膜的真空绝热板, 热桥将使整体热导率增加0.001~0.002 W/m·k。

  目前国内对VIP 热桥的研究尚不成熟,只有律宝莹等提及了VIP 中的热桥现象并对此进行了分析。本文通过对真空绝热板热桥的研究,分析了其性能受自身及外界因素影响的规律, 提出了降低热桥效应相应措施, 为生产、施工中的热桥问题, 提出了可行的建议。

1、热桥形成机理

  真空绝热板除了自身原因产生的热桥外,在组装和安装的过程中都会产生不可忽略的热桥,因此对VIP 热桥的研究主要从以下三个方面进行(如图2)。

(1) 单个真空绝热板

  VIP 表面隔膜的热导率很大,与内部芯材的热导率相比, 通常可相差两个数量级(特别是铝箔,其热导率可达200 W/m·k,而内部芯材的热导率只有0.004 W/m·k),因此部分热量可能不经过内部真空而是沿着表面隔膜经由板与板的搭界处,由热端向冷端传递,形成热桥,增加VIP整体热导率。

(2) 组装的真空绝热板间

  VIP 在抽真空的过程中,无法保证所有的真空绝热板收缩程度一致,因此两个真空绝热板连接处会因接触不紧密而形成气隙(有时这种气隙间距会达1 cm),这样热量会绕过真空从两个绝热板间的气隙中传递,形成热桥。

(3) 安装过程中的真空绝热板

  VIP 在安装过程中,如果外墙板结构不合理,安装不当,很容易出现机械损伤,造成热流损失,形成热桥。

热桥的示意图

图2 热桥的示意图

4、研究中应引起重视的几个问题

  (1) 上述对VIP 热桥的研究都是在常温下进行的,不能准确反映实际应用时的有效热导率,所以对于低温或是高温环境中热桥的影响还需做进一步的研究。

  (2) 热桥特性的研究过程中,热桥的大小除了受上述研究中所提的各种因素外,还受环境温度,芯材孔大小,热流方式等多种因素的影响,研究出这些因素对热桥的具体影响,对优化VIP 的结构,减少热桥效应有着深远意义。

  (3) VIP 安装过程中,真空绝热板容易出现刮擦等损伤现象,这是热桥产生的重大来源,如何增强绝热板的强度,减少安装过程中的热桥有待于进一步的研究。

  (4) 热桥的数值模拟研究方法,对于表面隔膜的处理只能处理成均相的材料,这和实际中所使用的VIP 有一定的差别,因此研究表面隔膜具体每一层对热桥的影响,对优化表面隔膜具有重要的指导意义。

  (5) 目前国外技术采用独特的serpentine 封边结构设计, 有效减少了热桥效应。我国可以参考和借鉴这一技术,通过封边工艺改进及结构设计优化等措施减少热桥效应。

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