真空绝热板_VIP_技术及其发展.pdf

2008年第 6期?总第 166期低?温?工?程CRYOGENICSNo?6?2008Sum?No?166真空绝热板(VIP)技术及其发展温永刚?王先荣?杨建斌?陈光奇(兰州物理研究所真空低温技术与物理国防科技重点实验室?兰州?730000)?摘?要:针对真空绝热板技术的结构设计、绝热机理、核心技术及影响真空绝热板寿命的关键因素等内容进行了详尽的分析与探讨,介绍了国外 VIP技术发展的前沿动向并结合国内真空绝热板技术的发展历程及当前发展水平进行了讨论,对国内 VIP技术未来发展方向提出了几点认识和建议。关键词:真空?绝热?VIP?发展中图分类号:?文献标识码:A?文章编号:1000?6516(2008)06?000?0?收稿日期:2008?09?15;修订日期:2008?10?00作者简介:温永刚,男,30岁,博士、工程师。Vacuum insulation panel technology and its developmentW enYonggang?W ang X ianrong Yang Jianbin?Chen Guangqi(NationalKey Lab.ofV acuum&Cryogenic T echnology and Physics,Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou 730000,China)?Abstract:The Vacuum Insulation Panel(VIP)structure design,insulation mechanism,core technologyand key factorswhich influence its lifespan were analyzed.The development ofVIP technology outside Chi?na was introduced.The development course and current development level ofVIP in China were discussedand some cognition and suggestion about future development direction of VIP technology were put forward.Key words:vacuum;insulation;Vacuu m Insulation Panel(VIP);development1?引?言在能源技术的发展中,20世纪是绝热技术充分发展的一个世纪 1。在当前世界经济快速向前发展的模式下,环境保护与节能环保是随之产生的两大主题。研究开发出一种高效、环保的绝热材料是解决环境污染和能源枯竭的迫切之需,真空绝热板技术由此应运而生。顾名思义,真空绝热板是基于真空绝热原理而制成的一种新型、高效绝热材料,英文名称为 Vacuu mInsulation Panel(VIP),是近年来开发和研究的一种新型高效绝热材料,通过最大限度提高板内真空度并充填以芯层绝热材料而实现隔绝热传导,从而达到保温、节能等较为理想的绝热效果和目的。相比于传统的聚氨酯泡沫或玻璃纤维等绝热材料,真空绝热板在其生产和应用过程中,不使用 ODS物质,而且导热系数可以达到 0.003W/(m?K)-0.004W/(m?K),相当于普通绝热材料的 10倍甚至更高,而其厚度仅为普通绝热材料的 1/7 2,因而具有环保和节能的双重优点。表 1所示为 VIP产品主要性能参数。从表 1可以看出,真空绝热板(VIP)不仅具有较高的压缩强度,而且具有极低的导热系数,产品具有超级绝热性能且轻质高强,是当前最新的绝热材料。由于其性能卓越,目前在世界范围内广泛应用于军工、船用冷藏器材、航天航空、交通运输、医用保温箱、食品工业、民办用冷冻设备和各种保温箱的隔热保温等各个领域。例如美国 NBS公司的超低温冰箱就采低?温?工?程2008年用了比较先进的被称为 NANOGELT M的金属镀膜纳米材料聚合物作为真空保温层的隔热材料;日本的Sharp冰箱则大量采用 VIP隔热,取得了良好的节能效果。表 1?VIP产品主要性能参数Table 1?M ain perfor mance param eters of VIP products参数指标整体密度/(kg/m3)100-160导热系数/W/(m?K)(20 )0.004使用环境/-50-70压缩强度/MPa0.14-0.252?真空绝热板(VIP)技术2.1?VIP发展历史及国内发展现状从 1882年英国科学家 James Dewar发明了杜瓦瓶以来,真空绝热技术的发展已经经历了一个多世纪,对于传热机理的深层次研究也已深入到分子水平,因而 VIP技术的发展在前人研究成果的基础上也取得了很大的进步,包括芯材、阻气层及生产过程等各个环节的控制与提高。VIP的概念首先是由美国 NASA 在三十多年前提出并进行设计的,其产品是以气相二氧化硅(fumedsilica)做为芯材,将 2英寸厚度的绝热板应用于标准6英寸厚的墙体上,以期达到 R?70的热阻值 3。最早的真空绝热板概念被转化为产品专利则是在 1979年和 1983年。20世纪 80年代,Brown Boverie和 Cie(BBC)在德国海德尔堡发明了矩形真空外壳,其内填充以粉末和纤维席作为绝热材料,用于钠?硫高温电池的绝热。在 20世纪 90年代初,Degussa在 Hanau生产了使用沉淀二氧化硅作为填充芯材的真空绝热板用于冰箱隔热,而以深长、高隔阻的塑料作为外封材料。与此同时,Owens Corning开始研制纤维填充的、以薄板钢壳为外封材料的真空绝热板,薄板钢壳的厚度仅为 75?m。在 MBB,不仅 100?m 厚度薄板钢壳外封材料、硅藻土填充芯材的 VIP得到发展,而且用于区域性供热的真空绝热管的试验方法也得以展开研究。在 20世纪 90年代,Dow Che m ical和 ICI发展了以开孔聚苯乙烯和聚氨酯泡沫为芯材的 VIP,外封材料采用高隔阻层。为了适合于汽车上的应用,德国宝马汽车公司还采用高效绝热技术开发研制了一种潜热存贮设备。对于芯材填充物,硅?气凝胶也得到了广泛应用。目前中国国内 VIP技术的研究也得到一定发展,上海交通大学已成功研制出一种新型吸气材料,上海夏普电器有限公司利用进口设备和原材料试产了部分开孔硬质聚氨酯泡沫(PU)板材,厦门高特高新材料有限公司则生产以聚苯乙烯泡沫(PS)、聚氨酯泡沫(PU)、玻璃纤维和气凝胶等为芯材的 VIP产品,青岛冈森塑料有限公司研发和生产的 VIP多层高阻隔薄膜经相关部门检测其各项技术指标均达到世界先进水平,另外扬州大学等高校联合在 VIP产品研发上也做出了一定成果。国内各个科研院所的参与积极推动了 VIP产业的向前发展。2.2?VIP结构VIP的结构组成主要由 3部分形成,即:芯材、阻气层和吸气剂,图 1所示为 VIP结构原理图,图 2所示为 VIP结构实物图。?(1)芯材:VIP芯材绝热材料一般选择多孔介质材料,如粉状二氧化硅、气凝胶、玻璃纤维或微孔聚氨脂等材料。可以采用聚苯乙烯泡沫(PS)、聚氨酯泡沫(PU)、玻璃纤维和气凝胶等为芯材,内置气体吸附剂和干燥剂,在抽真空状态下双面采用气体隔绝材料密封成板材。芯材的功能主要有:其一是结构支撑作用,防止在内部真空条件下 VIP板收缩、塌瘪;其二是36第 6期真空绝热板(V I P)技术及其发展防止热辐射的发生,为进一步提高该性能,可添加红外遮光剂如碳化硅(Si C)等降低辐射传热的影响 4;其三是减少热传导的发生,由于其本身为多孔性物质,接触面积小,因而可有效减少因热传导而发生的散热。(2)阻气层:阻气层的功能则主要是包覆隔绝和防止渗透两大作用,一方面将芯材包覆起来以隔绝外界空气使其内保持真空,另一方面则本身为致密性材料,可有效防止氮、氧及水气等通过阻气层渗入 VIP内部破坏真空度和降低其绝热性能。有的 VIP板阻气层结构选用了金属化材料,虽然减少了气体渗透率,但却因此而增加了热桥效应 5,需要在整体权衡的基础上选择合适的阻气层结构和材料。目前多选用多层聚酯基薄膜作为 VIP阻气层材料 6-7。(3)吸气剂:吸气剂的放置主要是为了保证板内更好的真空度,吸附由于渗透或材料放气所产生的多余气体,渗入板内的水气分子则由干燥剂吸附掉。对于板内芯材为气相二氧化硅的真空绝热板,由于气相二氧化硅的高比面积使得其本身即为一种性能优良的吸气干燥剂,因而无须再放置吸气剂或干燥剂 6。目前吸气剂一般采用钡锂合金吸收板内的氮气、氧气和二氧化碳,用氧化钴或活性炭吸收氢气。2.3?VIP绝热机理任何绝热原理及方法都是阻止热量从一个点传到另外一个点,因而尽管形成所谓的!绝热空间,但是热量仍然可以通过以下 3种传热方式中的任意一种从热端传递到冷端,即:传导、对流与辐射。这个过程是一个!熵增的过程,任何方法都无法避免,只能是尽量弱化与减小 8。对流在流体(包括气体与液体)发生运动时即会产生,对流可以通过强迫流动发生,也可以通过分子因浓度差和温度差而形成的自然流动发生,因而任何一种绝热方式都必须有效地阻止对流现象的发生。传统的绝热方式主要是通过介入流体运动而弱化对流效应,真空绝热板则采取抽除板内气体使其保持一定真空度的方法消除对流效应。热量传导会在两个直接接触的分子之间发生并传递。用于绝热板中的固体材料同样会发生热传导,尽管其热流率很低。液体和气体分子也同样会通过传导而发生热量传递。任何时候两个分子发生接触或碰撞,都会发生热量交换。即使没有流体流动,分子的运动仍然是时时刻刻都在发生。因此,尽管当空气是静止的或没有对流发生,气体分子依然会通过传导方式传递热量。因此 VIP芯材的选择必须最优化,使得气体热传导、固体热传导都达到最小。相比之下,辐射换热则可以不通过任何介质而发生。当辐射能量作用于物体时,可以被反射、穿透或吸收。如果能量被吸收于物体内,则物体温度会升高。通常辐射能量会与空间内的物体发生热量交换,因而可以通过在板内填充多孔芯材的方法增加辐射障碍而减少辐射换热。通过采取一定措施尽量减弱以上三种热量传递方式,可以实现 VIP板的优异绝热性能。2.4?VIP核心技术通过 VIP结构介绍及其绝热机理分析,可知 VIP核心技术为芯材和阻气层材料。芯材的选择应满足多方面要求。除过前述的支撑作用及本身具有低导热系数、能够有效降低板内辐射换热的要求外,作为 VIP板芯材使用的材料来说,还必须具备的特性是芯材材料必须为开孔结构,以便于气体抽空,同时微孔的排列应该使材料中的结构接触点尽量少,以减少固体热传导。目前欧洲国家建筑行业用 VIP 所选择的芯材大多为气相二氧化硅(fumed silica),该材料满足上述所有特性要求 6,然而缺点是价格较贵,成本较高。阻气层材料的选择也必须综合考虑各方面的因素。首先,阻气层材料要有高热阻;其次,阻气层材料应具有隔绝水气和密封包装两大功能。以某种 VIP专用高阻隔薄膜为例,是由多层高阻隔薄膜、金属箔膜、纳米聚合薄膜,采用低粘度、高粘合力的粘合剂,通过!干式复合和高温高频热合形成的,总厚度大于 120?m。各层间的剥离力大于 5N,热合强度大于50 N,具有高阻气性、高阻水性、耐穿刺性、易热封、防护效果极佳的特性。在解决上述两个核心技术的基础上,可进一步开展 VIP抽空工艺、封装工艺等技术的研究,使 VIP板在工程实际中实现批量化生产。3?影响真空绝热板使用寿命的关键因素6,9-123.1?渗透渗透与材料放气是造成 VIP板内真空度上升的直接原因,当然,这其中不包括因机械损伤所造成的真空泄漏。渗透的因素主要由阻气层材料确定,与阻气层特性有关,目前多采用多层金属复合薄膜作为阻气层材料。事实上,除非阻气层采用金属板或很厚的铝箔,否则很难真正阻止氮、氧和水气等的渗入。37低?温?工?程2008年3.2材料放气除过渗透,影响 VIP 板内真空度的因素即为芯材,放气量大小与芯材种类及其本身特性有关。一般的解决方法都是放置吸气剂。有些芯材如气相二氧化硅(fu m ed silica),由于其本身具有很大的比表面积,因而其本身即为很好的吸气剂,因而也就无须再放置其它种类的吸气剂。在 VIP 板内放置吸气剂可大大延长其使用寿命,是 VIP生产、设计和制造中的重要环节之一。3.3使用环境使用环境对 VIP板绝热效果和使用寿命具有至关重要的影响,目前 VIP 板的使用温度范围一般为-50 -70 。使用温度的提高意味着气体与水分子运动速率的提高,热胀冷缩造成的表面薄膜与封口孔隙增大,同时气体渗透及泄漏现象更加严重;如果环境湿度过高,则会有更多的水分子渗入到 VIP板,降低其真空度和绝热效果,同时缩短其使用寿命。3.4?机械损伤VIP板无论在生产、输运以及安装使用过程中都必须极其小心,任何的损伤或缺陷都将是板内真空度被破坏的潜在威胁,尤其是对于厚度仅为纳米量级的多层金属复合薄膜阻气层来说需要更加小心,无论任何微小的损伤,都将造成气体通过薄膜向板内泄漏,从而缩短其使用寿命。3.5?尺寸大小一块大的 VIP板相比尺寸较小的绝热板有相对较长的使用寿命,因为 VIP板的尺寸大小决定了其封边长度与阻气层面积大小,而封边是渗透所发生的主要区域,因此,同样厚度下较长的封边长度在 VIP 达到使用寿命完结之前允许渗入更多的气体。如果VIP的阻气层面积增加,渗气速率同样也会增加,但速度比封边渗入速度慢。3.6?最低要求真空绝热板的寿命同时取决于定义 VIP板失效的最低要求之高低而定,例如定义 50 Pa失效和 100Pa失效所用的寿命是不同的。显而易见,在同等条件下,定义失效真空度为 100 Pa的 VIP板寿命更长。VIP失效真空度的确定需要结合其使用环境、使用位置及绝热要求等各个因素加以综合考虑后确定。4?真空绝热板技术发展探讨4.1?当前技术发展动态VIP技术发展迅速,国内外众多机构都参与其制作及研究。当前发展的动态主要有 RF I D监测传感器应用及分成小块的真空绝热板技术。(1)RFID监测传感器的研制与应用。VIP自问世以来,如何在不破坏板材本身的基础上测量其内部真空度,一直是个需要解决的问题。综合传感器RFI D解决了这一难题,传感器内嵌于 VIP板内,整个传感器厚度仅为 0.8 mm,直径 30 mm,丝毫不影响VIP板的性能 4。综合传感器 RFI D的实施和应用在相当的程度上提高了 VIP可靠性的可靠度,充分保证了 VIP的绝热性能。(2)分 成 小 块 的 真 空 绝 热 板,即!CH IP?Vacua 13。传统的真空绝热板由于其平面形状的限制,仅能应用于平的表面,CH IP?Vacua绝热板的出现扩大了 VIP的应用范围,属于 VIP家族的一个新品种,可供形状复杂的保温设备及容器使用。同时由于CH IP?Vacua采用分块设计技术,相当于多个 VIP小板串联在一起,因而可有效避免在操作中由于切割或固定时对 VIP板造成整块的破坏。4.2?有待深入研究的几个问题目前有待深入研究的问题主要有:(1)吸气剂的国产化及其性能的改进与研究。目前多用的吸气剂都不是高温激活而是在常温下就能使用的吸气剂,国内没有适宜的产品,只能是从国外进口,限制了 VIP产业的扩大与发展。目前用到的性能较佳的吸气剂主要是从意大利 SAES进口,要实现 VIP板中国内生产的产业化并降低制作成本,必须实现优良吸气剂的国产化。(2)热桥效应研究,通过封边工艺改进及结构设计优化减少热桥效应。国外技术采用独特的 serpen?tine封边结构设计,有效减少了热桥效应 14。中国内有关单位可参考和借鉴这一技术。(3)RFI D传感器研制及改进。RFI D 传感器是VIP可靠性使用不可或缺的一部分,目前中国内有关单位已经开展了该方面工作并取得了一定的研究成果,需要在此基础上进行更进一步的设计和改进,在保证测量数据的准确可靠的同时,还要确保其使用简单,成本低廉,操作简便。(4)提高性能,降低成本。进一步研制高效率的阻气层材料和成本更加低廉的芯材材料是未来 VIP发展的必然趋势,只有降低成本,提高性能,才可以实现 VIP的大面积、大范围应用,真正实现其!节能环保 的特点和优点。38第 6期真空绝热板(V I P)技术及其发展(5)扩展应用领域。VIP不仅可用于低温冰箱,还可用于建筑保暖材料,实行大力推广。欧洲在此方面做了大量的研究工作,目前已可以基本实现 VIP板在建筑行业的应用,中国也可在突破关键技术的基础上,进一步拓展其应用范围,实现!民转军 的应用,在此基础上极大拓展 VIP在高新科技行业及航天军事方面的应用。5?结束语超过一个多世纪的真空绝热研究使得 VIP可靠耐用并具有良好的绝热性能,严格的质量控制可以通过工艺化的生产得到保证并加以实施 15。虽然真空绝热板自身的产生与发展已经有了三十多年的历史,但是其真正的兴起与应用却是最近十年的事,在国外技术已发展相对成熟并扩大应用范围的同时,中国内有多家单位也逐渐开展了相应的研究。然而,真空绝热板的发展由于成本关系及技术难度问题,在中国的批量化的生产和应用受到一定的限制,需要在总结和借鉴国外成熟技术的基础上积极进行自我开发和研究,扩大其在中国国民经济各个领域内的应用范围。参考文献1?M ark Z i mmer mann.Vacuum Insulated Products(VIP),H igh Perfor m?ance Ther mal Insulation Systems,I NTRODUCTI ON M.EMPAZEN,January 22?24,2001.2?T G Kollie,D LM cEiroy,H A Fine,etc.A Rev iew ofV acuum Insula?tion Research and Develop ment in the Building MaterialsGroup of theOak R idge National Laboratory C.ORNL/TM?11703,September1991.3?M aking Energy Efficiency Happen.NorthwestCERT M eeting Summa?ry,November 2nd,2006.4?J Fricke,H Schwab,U H einemann.Vacuum Insulation Panels?Excit?ing Ther mal 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