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技術原理

真空絕熱板的基本原理

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2017-1-17     瀏覽次數:    
一、 真空絕熱板的概述

1、發展概況

真空絕熱板是將隔熱性能良好的芯材裝入隔氣結構中,抽真空后再密封起來形成的板材。VIP 板的研發始于上個世紀五十年代,至今已有近六十余年的歷 史,九十年代以后歐美許多大公司先后開展了VIP 板的研究,取得了豐富的科研成果。現在VIP板在國內外已經廣泛應用于冰箱,冰柜,冷庫,冷藏車,冷藏集裝箱,醫用保溫箱,墻體保溫等領域,如在日本70%以上的家用冰箱保溫層使用了VIP 板,在歐 美VIP板已廣泛應用在冷凍車船的運輸保溫箱中。

2VIP 板結構

真空絕熱板通常由三部分組成:隔氣結構、芯材和吸氣劑,其結構如下圖所示。

 

1.隔氣結構   2.芯層隔熱材料   3.氣體吸附材料

隔氣結構:通常為袋狀結構,以下稱為“阻隔袋”,作用是將芯材抽真空后封裝起來形成真空狀態,因此要求這種結構具有良好的阻隔氣體能力,同時還要有一定的強度以保護真空腔室不會受到破壞。常用的隔氣材料有薄鋼板、多層聚酯基薄膜和含金屬層的多層聚酯基薄膜等。

芯層隔熱材料:以下簡稱“芯材”,常用多孔隙材料,其首要是起支撐作用,避免在真空條件下隔氣結構塌癟,其次是阻止熱輻射,另外其本身為多孔隙材料,接觸面少,熱傳導系數低。常用的芯材有粉末狀二氧化硅、氣溶膠、開孔聚氨酯 泡沫、開孔聚苯乙烯泡沫和超細玻璃纖維等。

氣 體吸附材料:以下簡稱“吸氣劑”,主要作用是吸收VIP 板內的殘余空氣以維持一定的真空度。阻隔袋抽真空密封后,仍會有極少量氣體會滲透到袋內,或者芯材在使用過程中也會緩慢釋放一些氣體,所有這些氣體均會破 壞袋內真空度影 響VIP板的導熱系數。因此,必須使用特制的吸氣劑,吸收VIP 板內的氮氣、氧 氣、二氧化碳和水蒸氣等氣體以保持袋內高真空度。


3、絕熱原理

VIP板是采用真空絕熱原理制成的,即在較低的空氣壓力下,材料的導熱系數會變得很小。VIP板導熱可以看作一維平板導熱,其導熱過程如下圖。


通過VIP 板的一維導熱

根據VIP 板的結構特點以及熱阻公式 R=δ/λ,VIP 板的總熱阻可表達芯材與兩 側壁熱阻之和,即



其中,

λVIP 板的總導熱系數;

λ0為芯材的表觀導熱系數;

λ1λ2分別為VIP 板兩側壁的導熱系數;

δVIP 板總厚度;

δ0為芯材的厚度;

δ1δ2 分別VIP 板為兩側壁的厚度;

 

由式(1.1)整理,得

 

而芯材表觀導熱系數λ0又由以下四項的總和組成:


λ0=λg+λc+λs+λr

式中,λg為空氣的導熱系數;

λc為空氣對流換熱系數;

λs為隔熱材料的固相導熱系數;

λr為芯材內部的輻射換熱系數;

由于VIP 板內空氣稀薄,空氣的熱傳導能力非常微弱,另外芯材通常采用的是多 孔隙材料,空間間壁的距離相對縮短,進一步削弱了空氣熱傳導,因此空氣熱傳 導近似為零,即λg=0;氣體被分隔或者密閉在無數微小的空間之內,抽真空后 袋內空氣分子間的平均自由程大于芯材之間的孔隙,氣體分子之間的熱交換幾乎 不存在,因此對流傳熱可以忽略不計,即λc=0。因此,芯層表觀導熱系數可以表示為λ0=λs+λr

芯材通常為多孔隙材料,芯材之間為點接觸或者線接觸,因此芯材所引起的固相熱傳導也很小,即λs很小。此外,粉末狀或者纖維狀的芯材在間壁中增加了輻射和散射的作用,故 λr也很小。因此,芯材表觀導熱系數λ0很小。

VIP 板壁厚和導熱系數是通常是不變的,當芯材厚度一定的情況下,由式 (1.2)可知,VIP 板的總導熱系數取決于芯材表觀導熱系數λ0,即λ0越小,λ就越小。

 

4、影響λ的因素

導熱系數λ是表征材料導熱性能優劣的參數,單位為W/m·K。不同材料的導熱系數數值不同,即使同一種材料,導熱系數也受很多因素影響。下面簡單闡述真空度、溫度和芯材含濕率對λ的影響,這樣有利于我們尋找減小導熱系數,提高VIP 板絕熱性能的途徑。

(1) 真空度


VIP 板之所以有如此優異的絕熱性能,很大程度上得益于袋內的真空度。因 為VIP 板芯材多為粉末狀或者纖維狀,氣體熱傳導起了很大的作用。芯材表觀導 熱系數與殘余氣體壓力關系如下圖。


從上圖了解到,當殘余氣體壓力從大氣壓下降到10Kpa時,表觀導熱系數保持為常數,即該壓力范圍內導熱系數與絕熱層中氣體壓力無關。當壓力進一步降低, 即壓力為1~ 103Pa 之間時,導熱系數幾乎隨著殘余氣體壓力呈線性變化,隨著壓力的下降導熱系數也明顯下降。當壓力低于1Pa 時,由于氣體分子導熱和固體導熱小,導熱系數完全取決于輻射傳熱和固體導熱,這是導熱系數趨于常數。所以,VIP 板制作過程中,選擇VIP板的板內真空度一般取1Pa 以下即可,進一步抽真 空對于降低導熱系數沒有實際意義。

(2) 溫度

溫度對絕熱材料導熱系數有直接影響,溫度升高,材料的導熱系數一般會上升。由式(1.5)可知 λ∝T2,因此隨著溫度的增加輻射導熱因子的作用會有大大地加強,λ會顯著增大。λ可表示為:

λ= 4 GdεσT2

式中,G 為氣孔的幾何因子,d 為氣孔平均直徑(m,ε為氣孔的熱發射率,σ為斯蒂芬波爾茲曼常數,T為溫度。因此,VIP 板用在低溫環境下會比在高溫環境下取得更好的絕熱效果。

(3) 芯材含濕率

芯材為多孔結構很容易吸收水分,老化時也會分解而釋放部分水分和氣體。 空氣的導熱系數為 0.029W/m·K,而水的導熱系數為 0.58W/m·K 是空氣的 20 倍,同水蒸汽又使得VIP板的真空度變壞,因此芯材中的水分對VIP 板的導熱系數影響極大。研究表明:當含濕率大于5~10%,絕熱材料吸濕后水分占據了多孔 介質的氣孔空間,引起其導熱系數急劇升高,導熱系數為 0.03W/m·K 的絕熱 材料吸收1%的水分后導熱系數增加25%,以后并按倍數增加。如果絕熱材料有開 孔連通氣孔,水分會在毛細管作用下滲透到其它部位,危害更大。因此,VIP 板制作過程中必須將芯材充分烘干。

 

除了上述真空度、溫度、材料含濕率外,芯材的容重、比熱容和粒度,填充 的氣體類型以及隔氣結構的隔氣能力對VIP 板板的導熱系數均有影響。

 

5VIP 板可靠性和壽命

如要保證產品出廠合格率,就必須對產品進行抽樣檢測。目前通常采用以下兩種方法進行檢測, 一是采用熱流計直接檢測 VIP板的導熱系數,這種方法操作簡單測量準確,但每片VIP 板檢測時間約需10分鐘,檢測效率低不宜批量生產使用;二是利用導熱系數與真空度的關系,通過利用微型真空規測量VIP 板板內真空度來間接判定其可靠性,這種方法方便快捷,適宜批量生產在線檢測,但是 目前這種檢測手段還不太完善,且增加壓力傳感器會相應增加產品成本,因此目前使用還不是很普遍。

 

VIP 板板使用過程中,由于外部氣體透過隔氣結構緩慢滲透到VIP板內部和芯材使用過程中緩慢釋放氣體,均會破壞板內真空度,導致 VIP板的導熱系數逐漸上升導致產品失效。這就涉及產品的使用壽命問題。目前VIP板產品沒有國家標準,一般定義VIP 板使用壽命如下,在環境溫度24 和相對濕度50%的標準條件下,隨著時間推移VIP 板的導熱系數逐漸上升到0.010W/m·K (超級保溫材料導熱系數的上限),此時我們認為VIP板的壽命終結,所經歷的這段時間就是VIP 板的使用壽命。現在VIP 板使用壽命一般為10~15,氣相法二氧化硅為芯材的可達50年。 

 

VIP 板使用壽命跟板內真空度直接相關,因此要延長產品的使用壽命,必須改善板內真空度。通常我們從以下兩個方面改善真空度:結構上,提高阻隔袋 材料的阻隔性能,增加吸氣劑;工藝上,保持生產環境整潔干燥,充分烘干芯 材,適當延長排氣時間。
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