真空絕熱板使用壽命數(shù)值分析及預(yù)測(cè)

　　真空絕熱板( VIPs) 的長(zhǎng)期穩(wěn)定性已經(jīng)成為諸多研究單位、生產(chǎn)企業(yè)和使用者最為關(guān)心的問(wèn)題之一。文章建立了相應(yīng)的使用壽命預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)不同多孔介質(zhì)芯材的VIPs 使用壽命進(jìn)行了數(shù)值分析及預(yù)測(cè)。采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了對(duì)比分析，兩者吻合較好。提出了延長(zhǎng)使用壽命的措施，設(shè)計(jì)了可降階反氣體滲透的方法用以延長(zhǎng)VIPs 的使用壽命。文章所建立的數(shù)學(xué)模型及分析方法對(duì)VIPs 的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

　　真空絕熱板( VIPs) 是由多孔介質(zhì)芯層隔熱材料、高阻氣性的隔氣結(jié)構(gòu)及氣體吸附材料復(fù)合而成的一種保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低達(dá)0. 004 W/( m·K) 以下，為常規(guī)保溫材料的1 /7，甚至1 /10。VIPs的高效絕熱性能日益為社會(huì)認(rèn)可和接受，在建筑、航空航天、交通運(yùn)輸、家用電器等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。在二次產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，用戶總是希望在產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命期內(nèi)VIPs 可以保持高效的保溫性能，而影響其使用時(shí)間的因素眾多。如何保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性已成為眾多學(xué)者、生產(chǎn)企業(yè)和使用單位最為關(guān)注的問(wèn)題之一。對(duì)其使用壽命的研究，對(duì)VIPs 的生產(chǎn)推廣、二次產(chǎn)品的研發(fā)等具有重要指導(dǎo)意義。

　　國(guó)內(nèi)外對(duì)VIPs 的研究多存在于其熱工性能及導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)領(lǐng)域，而對(duì)VIPs 使用壽命的相關(guān)技術(shù)概念存在混淆和誤解，如不了解絕熱與保溫的概念，不明確VIPs 中心區(qū)域?qū)�熱系�?shù)和有效導(dǎo)熱系數(shù)之間的區(qū)別，對(duì)于VIPs 失效的界定及判斷標(biāo)準(zhǔn)模糊等。事實(shí)上，VIPs 的導(dǎo)熱系數(shù)并不是恒定不變的，隨著其在保溫場(chǎng)合使用的時(shí)間推移，絕熱性能會(huì)隨之衰減，導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)隨之上升。因VIPs 導(dǎo)熱系數(shù)的變化受諸多因素的影響，目前對(duì)其的研究主要是存在于試驗(yàn)研究階段，理論研究也已深入微尺度空間。但受客觀因素影響，這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論很難再現(xiàn)，并推動(dòng)理論知識(shí)的發(fā)展。

　　工程熱物理及傳熱學(xué)將導(dǎo)熱系數(shù)為0. 20W/( m·K) 作為保溫材料及非保溫材料的分界線，但對(duì)絕熱材料與普通保溫材料并沒(méi)有給出明確分界。美國(guó)ASTM C 1484-01 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，絕熱材料指的是在平均溫度為24℃( 75 �瓼) 的測(cè)試環(huán)境中，中心區(qū)域?qū)�熱系�?shù)不高于0. 011495 W/( m·K) 的保溫材料。

　　本文取0. 0115 W/( m·K) 作為絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的上限。事實(shí)上，VIPs 使用壽命又可分為實(shí)際使用壽命和標(biāo)準(zhǔn)工況使用壽命。實(shí)際使用壽命指的是在其使用環(huán)境中VIPs 導(dǎo)熱系數(shù)滿足絕熱材料臨界值的使用年限。實(shí)際使用壽命在很大程度上取決于VIPs 設(shè)計(jì)與材質(zhì)、使用環(huán)境及所允許的最小熱阻值。標(biāo)況下的使用壽命指在溫度為24℃、相對(duì)濕度為50%的條件下VIPs 保持超絕熱性能的年限。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為VIPs 的實(shí)際使用壽命是大于還是小于標(biāo)準(zhǔn)條件下的使用壽命取決于使用環(huán)境與要求的最小熱阻值。本文采用數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)真空絕熱板的標(biāo)況下的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并提出了延長(zhǎng)真空絕熱板的使用壽命的措施。

VIPs 使用壽命的評(píng)估

　　VIPs 因長(zhǎng)期使用，氣體、水蒸汽會(huì)通過(guò)隔氣結(jié)構(gòu)及封口滲入到板內(nèi)、以及隔氣結(jié)構(gòu)和芯材釋放氣體到板內(nèi)，都會(huì)造成板內(nèi)氣壓的上升，從而影響其使用壽命。隔氣結(jié)構(gòu)是形成真空環(huán)境的屏障，是VIPs的重要組成部分。隔氣結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)、厚度等因素都會(huì)對(duì)VIPs 的邊緣熱橋效應(yīng)的高低有一定影響，從而影響VIPs 的有效導(dǎo)熱系數(shù)。隔氣結(jié)構(gòu)的透氣性能與透濕性能直接影響VIPs 內(nèi)的真空度穩(wěn)定性，從而影響其絕熱性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

使用壽命理論模型

　　在理論計(jì)算時(shí)，為簡(jiǎn)化模型，假設(shè)板內(nèi)氣壓與水分對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響是相互獨(dú)立的，故而可采用相互疊加的方式對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。

　　式中: λ ( τ) 為使用τ ( 年) 時(shí)間后的導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m·K) ; λe為初始導(dǎo)熱系數(shù)，W/( m·K) ; λgas( τ) 為由大氣滲透造成的導(dǎo)熱系數(shù)增加值，W/( m·K) ; λvap( τ) 為由水蒸汽滲造成的導(dǎo)熱系數(shù)增加值，W/( m·K) 。

　　影響VIPs 內(nèi)部真空的氣體事實(shí)上由兩部分組成，一部分來(lái)自外界的滲透，一部分來(lái)自隔氣結(jié)構(gòu)或芯材的氣體釋放。外界通過(guò)隔氣結(jié)構(gòu)滲入到VIPs 板內(nèi)的氣體快慢可以用氣體滲透率( Gas Transmission Rate，GTR) 來(lái)表示，其值一般由組成隔氣結(jié)構(gòu)的材料和封口情況來(lái)決定，為溫度與相對(duì)濕度的函數(shù)。隔氣結(jié)構(gòu)表面氣體滲透率可由廠家直接提供，但提供的數(shù)據(jù)多為氧氣滲透率( Oxygen Transmission Rate，OTR) 。氧氣滲透速率是指在大氣環(huán)境條件下單位面積隔氣結(jié)構(gòu)每天滲透的氧氣量， cm3 /( m2·d·Pa) 。氧氣在空氣中占的比例僅為21%，空氣中的氮?dú)夥謮毫�為氧�? 倍左右，但氧氣在許多膜中的滲透速率較高，一般為氮?dú)鉂B透率的5 倍以上。

　　事實(shí)上，滲入到VIPs 內(nèi)的干空氣不僅僅是氧氣，氮?dú)獾�，其他氣體也會(huì)因內(nèi)外壓差而滲入到VIPs 內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)，氮?dú)鉂B透率為氧氣滲透率的1 /5，在理論計(jì)算時(shí)氣體滲透率可以采用式( 2) 計(jì)算。

　　式中，RGTR為氣體滲透率，cm3 /( d·Pa) ; ROTR為氧氣滲透率，cm3 /( m2·d·Pa) ; AVIP為隔氣結(jié)構(gòu)表面積，m2 ; RCir為透過(guò)周長(zhǎng)為CVIP( m) 的封口氣體滲透率，cm3 /( m·d·Pa) 。

延長(zhǎng)使用壽命的方法

　　VIPs 板內(nèi)真空度的高低是衡量真空絕熱性能和使用壽命長(zhǎng)短的重要指標(biāo)，為保證既定VIPs 的導(dǎo)熱特性和使用壽命，可以從減少氣體滲入和降低芯材及隔氣結(jié)構(gòu)放氣等環(huán)節(jié)入手。

原材料的選擇及加工工藝的優(yōu)化

　　在VIPs 隔氣結(jié)構(gòu)的選擇時(shí)，盡量選擇即能有較強(qiáng)抗氣體滲透能力，又能最大程度上減小熱量傳遞的高阻隔薄膜。目前多采用金屬與塑料復(fù)合膜，能夠有效地抑制空氣和水蒸汽的滲透速率。在保證其優(yōu)良隔氣性能的前提下，采用聚酯基無(wú)金屬薄膜對(duì)金屬隔氣結(jié)構(gòu)的替代，意味著盡量降低或消除VIPs邊緣熱橋效應(yīng)的同時(shí)，又能保證在整個(gè)使用周期內(nèi)VIPs 都具有良好的絕熱性能。

　　多孔介質(zhì)芯材孔徑或直徑較小的多孔介質(zhì)芯材較之較大者具有更長(zhǎng)的使用壽命。在芯材的生產(chǎn)制造時(shí)，盡量降低芯材孔徑或直徑，提高其均勻性。另外，選取泡沫多孔介質(zhì)作為芯材時(shí)，盡量選用開(kāi)孔率較高者。

　　在VIPs 封裝之間對(duì)其多孔介質(zhì)芯材預(yù)處理是極其重要的。采用間歇式加熱抽真空的芯材預(yù)處理方法較之傳統(tǒng)單純加熱的方法，能更為有效的驅(qū)除殘留或吸附在多孔介質(zhì)芯材孔隙中的水分及氣體，尤其對(duì)固封在封閉空間中的水分及氣體具有良好的驅(qū)除效果。

　　吸氣劑及干燥劑是用來(lái)吸收VIPs 內(nèi)的氣體和水蒸汽，以維持板內(nèi)真空度，從而維持VIPs 的絕熱性能，保證VIPs 的使用壽命。由于吸氣劑和干燥劑的吸氣具有選擇性，因此，在選擇氣體吸附材料的種類和數(shù)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)芯材及表面薄膜類型及其氣體釋放、滲透和水蒸汽滲透情況，對(duì)真空板內(nèi)可能出現(xiàn)的氣體種類及數(shù)量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分析預(yù)測(cè)。在吸氣劑的添加位置及方法上，目前多采用在芯材上開(kāi)洞將吸氣劑放在里面的方法，但因板內(nèi)氣體要到達(dá)吸氣劑會(huì)受很大阻力，吸氣效果一般。將氣體吸附材料研成粉末，做成極薄的紙狀物質(zhì)，平鋪與芯材之中，這樣可增大有效吸收面積。

可降階反氣體滲透的VIPs

　　多孔介質(zhì)VIPs 主要是依靠極大的提高其內(nèi)部真空度來(lái)實(shí)現(xiàn)絕熱的，真空度的維持主要是靠隔氣結(jié)構(gòu)來(lái)完成的。VIPs 的內(nèi)部真空度極高，一般都在1 ～ 10 Pa 左右，甚至更低。在板內(nèi)外壓力懸殊的情況下，不可避免的會(huì)有氣體透過(guò)隔氣結(jié)構(gòu)表面滲透到板內(nèi)，從而提高了板內(nèi)壓力而影響了VIPs 的整體導(dǎo)熱效果。作者設(shè)計(jì)了一種通過(guò)氣體降階的方式來(lái)阻礙氣體通過(guò)隔氣結(jié)構(gòu)向板內(nèi)滲透的方法，可以有效延長(zhǎng)VIPs 的使用壽命。

　　常規(guī)封裝方式為兩片隔氣結(jié)構(gòu)熱封而成，如圖2 所示。引起板內(nèi)壓力上升的主要原因是氣體通過(guò)隔氣結(jié)構(gòu)滲透入板內(nèi)，而決定氣體滲透量及滲透能力的關(guān)鍵因素是板內(nèi)外壓差。圖3 所示為作者設(shè)計(jì)的具有壓力降階阻氣的VIPs 隔氣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 常規(guī)隔氣結(jié)構(gòu)袋　　圖3 可降階隔氣結(jié)構(gòu)袋

　　芯材被獨(dú)立的袋狀腔室隔開(kāi)，并在最外層的芯材內(nèi)放置少量吸氣劑或不放置。氣體因內(nèi)外較芯材被獨(dú)立的袋狀腔室隔開(kāi)，并在最外層的芯材內(nèi)放置少量吸氣劑或不放置。氣體因內(nèi)外較大壓差會(huì)微量的滲透到最外一階VIPs，而最外一階與內(nèi)層之間因壓差較小，氣體滲透量甚微，中心一階的芯材在較低的真空狀態(tài)下保持良好的絕熱性能。采用分階降壓，可以有效減少氣體向芯層的滲透，外層一階的VIPs 還起到對(duì)內(nèi)層的保護(hù)作用，即便在外層隔氣結(jié)構(gòu)被刺破的情況下，依然可以維持內(nèi)層VIPs 的板內(nèi)真空度，從而保證VIPs 整體的絕熱性能。如果分階的等級(jí)較多，還可以省去氣體吸附材料，減少制作成本，提高其經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)論

　　(1) 建立了相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，對(duì)VIPs 的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析驗(yàn)證本模型的吻合性。

　　(2) 分析了誤差原因，并提出了模型的優(yōu)化措施。今后通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)本模型中的一些未知參數(shù)及未知量進(jìn)行修正和完善，其計(jì)算結(jié)果將會(huì)不斷的接近真實(shí)值。

　　(3) 針對(duì)真空絕熱板的使用壽命的影響因素，提出了真空絕熱板的延長(zhǎng)使用壽命的方法。