真空绝热板(VIP)绝热性能及其影响参数分析

真空绝热板(VIP)绝热性能及其影响参数分析真空绝热板（VIP）具有10倍于传统绝热材料的优异绝热性能。对VIP有效导热系数开展了分析，说明影响VIP绝热性能主要是固体导热和辐射传热，而气体导热和对流换热可忽略不计。影响VIP整体绝热性能的因素主要有温度、气体压力、含湿率、芯材密度及芯材颗粒度等参数。1、引言

真空绝热板（VIP）是近年来快速发展起来的一种新型绝热材料，它是利用真空绝热原理并采取各种措施以尽量消除或弱化板内的热量传递，使其漏热降低到最小，因而具有10倍于传统绝热材料的优异绝热性能。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，不使用消耗臭氧层物质（OzoneDepletingSubstances），而且导热系数可以到达3~4mW/m·K，其热阻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，具有环保和节能的双重优点。图1为VIP与普通绝热材料热阻比较柱状图，从图中可以看出VIP具有很大的绝热优势。图2为相同热阻的VIP与传统绝热材料的比较，其厚度相差10倍以上，因而对于绝热空间要求较为严格的应用领域（如冰箱和冷冻行业），VIP得到了广泛的发展和应用。

VIP不仅是一种新型绝热材料，而且又是具有复杂性和敏感性的一个真空绝热系统。图3所示为1×105Pa、20℃下不同芯材导热系数随气体压力变化情况。由图3可以看出，不同芯材随板内气体压上升表现出的导热系数变化差异较大，对于气体压力变化的“敏感度”也不尽相同。相比之下，气相二氧化硅（fumedsilica）则表现出较大的“迟钝性”，因而更适宜于作为VIP芯材使用。当然，除了芯材材料对气体压力的敏感程度外，还要充分考虑芯材材料的制作工艺、价格等因素，这样才能有效降低VIP的成本，使其得到大面积推广和应用。

图1VIP与普通绝热材料热阻比较图2相同热阻的VIP和传统绝热材料的比较图31×105Pa、20℃下不同芯材导热系数随气体压力的变化2、VIP绝热原理

一般情况下，静止空气所能到达的最低导热系数为0.026W/m·K。为了开发更为有效的绝热材料，人们采取了很多方法。有的是替换材料中的充填气体，有的是在材料中增加辐射吸收剂或散射剂，有些甚至是将材料内的充填气体直接抽空，即所谓真空绝热。采取这些措施的目的都是为了降低传热，当气体分子的平均自由程大于芯材的孔径时即可防止气体热传导的发生。为了满足这种条件，一方面要采取减少分子数目以降低碰撞频率的方法来增大气体分子的平均自由程，另一方面则需要尽量减小芯材的孔径。前者可以借助于抽空的方法，后者则需要采用孔径极其微小的多孔介质材料，因此开发出了微米/纳米量级的绝热材料，如超细玻璃纤维、气相二氧化硅及硅气凝胶等。2种方法结合的结果使得绝热效果的发挥到达了极致，VIP的出现正是结合了2种技术的优势所在，因而在绝热效果上表现超常的优异性能。图4、图5分别为2种常用VIP芯材的扫描电镜（SEM）照片。从图中可以看出，气相二氧化硅相比超细玻璃纤维具有更小的微孔尺度，到达纳米量级，其绝热性能具有更大的优势和潜力。

图4气相二氧化硅SEM照片图5超细玻璃纤维SEM照片

从构造上讲，VIP主要由芯材和阻气层组成，同时可根据芯材种类及应用环境确定是否需要添加吸气剂。对于绝热材料而言，有效导热系数是用来衡量其绝热性能优劣的重要参数，它是反映物质传导热能力的重要性质参数。芯材一般选用多孔介质材料，如超细玻璃纤维、沉积硅、聚氨酯（PU）泡沫、聚苯乙烯（PS）泡沫等，其内部传热机理非常复杂，不仅涉及到固体与气体的热传导，还涉及到相互间的对流换热及芯材多孔构造中辐射换热。3、VIP有效导热系数构成及分析

由于多种传热方式的存在，必须保证VIP板内气体导热系数λG、固体导热系数λS和辐射等效导热系数λR最小，同时还需考虑对流等效导热系数λC。因此VIP板的有效导热系数λeff（忽略边缘效应及阻气层的影响）可用式（1）表示

式中λeff为VIP板有效导热系数；λG为气体导热系数；λS为固体导热系数；λG为对流等效导热系数；λR为辐射等效导热系数。下面对式（1）各项分别开展分析。

3.1、气体导热

气体导热系数的变化随压力增加而呈“S”形变化，其大小主要取决于气体分子间的碰撞频度。多孔材料的气体导热系数一般可用Kaganer模型表达如

式中λG0为T=300K时的自由静态空气的气体导热系数，即λG0=0.026W/m·K；对于空气而言，β=1.6；Kn为克努曾数，其定义式