1、發(fā)展概況

真空絕熱板是將隔熱性能良好的芯材裝入隔氣結(jié)構(gòu)中，抽真空后再密封起來形成的板材。VIP 板的研發(fā)始于上個世紀(jì)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?，F(xiàn)在VIP板在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冰箱，冰柜，冷庫，冷藏車，冷藏集裝箱，醫(yī)用保溫箱，墻體保溫等領(lǐng)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(yīng)用在冷凍車船的運(yùn)輸保溫箱中。

2、VIP 板結(jié)構(gòu)

真空絕熱板通常由三部分組成：隔氣結(jié)構(gòu)、芯材和吸氣劑，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

1.隔氣結(jié)構(gòu)   2.芯層隔熱材料   3.氣體吸附材料

隔氣結(jié)構(gòu)：通常為袋狀結(jié)構(gòu)，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(tài)，因此要求這種結(jié)構(gòu)具有良好的阻隔氣體能力，同時還要有一定的強(qiáng)度以保護(hù)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(jié)構(gòu)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(dǎo)系數(shù)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(xì)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)真空度影 響VIP板的導(dǎo)熱系數(shù)。因此，必須使用特制的吸氣劑，吸收VIP 板內(nèi)的氮?dú)狻⒀?氣、二氧化碳和水蒸氣等氣體以保持袋內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)會變得很小。VIP板導(dǎo)熱可以看作一維平板導(dǎo)熱，其導(dǎo)熱過程如下圖。

通過VIP 板的一維導(dǎo)熱

根據(jù)VIP 板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及熱阻公式 R=δ/λ，VIP 板的總熱阻可表達(dá)芯材與兩 側(cè)壁熱阻之和，即

其中，

λ為VIP 板的總導(dǎo)熱系數(shù)；

λ₀為芯材的表觀導(dǎo)熱系數(shù)；

λ₁，λ₂分別為VIP 板兩側(cè)壁的導(dǎo)熱系數(shù)；

δ為VIP 板總厚度；

δ₀為芯材的厚度；

δ₁，δ₂ 分別VIP 板為兩側(cè)壁的厚度；

由式（1.1）整理，得

而芯材表觀導(dǎo)熱系數(shù)λ0又由以下四項(xiàng)的總和組成：

λ₀=λ_g+λ_c+λ_s+λ_r

式中，λ_g為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；

λ_c為空氣對流換熱系數(shù)；

λ_s為隔熱材料的固相導(dǎo)熱系數(shù)；

λ_r為芯材內(nèi)部的輻射換熱系數(shù)；

由于VIP 板內(nèi)空氣稀薄，空氣的熱傳導(dǎo)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(jìn)一步削弱了空氣熱傳導(dǎo)，因此空氣熱傳 導(dǎo)近似為零，即λ_g=0；氣體被分隔或者密閉在無數(shù)微小的空間之內(nèi)，抽真空后 袋內(nèi)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λ_c=0。因此，芯層表觀導(dǎo)熱系數(shù)可以表示為λ₀=λ_s+λ_r

4、影響λ的因素

導(dǎo)熱系數(shù)λ是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，單位為W/m·K。不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值不同，即使同一種材料，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，提高VIP 板絕熱性能的途徑。

（1） 真空度

VIP 板之所以有如此優(yōu)異的絕熱性能，很大程度上得益于袋內(nèi)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(dǎo)起了很大的作用。芯材表觀導(dǎo) 熱系數(shù)與殘余氣體壓力關(guān)系如下圖。

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

（2） 溫度

溫度對絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)有直接影響，溫度升高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱因子的作用會有大大地加強(qiáng)，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(fā)射率，σ為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，T為溫度。因此，VIP 板用在低溫環(huán)境下會比在高溫環(huán)境下取得更好的絕熱效果。

（3） 芯材含濕率

芯材為多孔結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)為 0.029W/m·K，而水的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.58W/m·K， 是空氣的 20 倍，同時水蒸汽又使得VIP板的真空度變壞，因此芯材中的水分對VIP 板的導(dǎo)熱系數(shù)影響極大。研究表明：當(dāng)含濕率大于5~10%，絕熱材料吸濕后水分占據(jù)了多孔 介質(zhì)的氣孔空間，引起其導(dǎo)熱系數(shù)急劇升高，導(dǎo)熱系數(shù)為 0.03W/m·K 的絕熱 材料吸收1%的水分后導(dǎo)熱系數(shù)增加25%，以后并按倍數(shù)增加。如果絕熱材料有開 孔連通氣孔，水分會在毛細(xì)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(jié)構(gòu)的隔氣能力對VIP 板板的導(dǎo)熱系數(shù)均有影響。

5、VIP 板可靠性和壽命

如要保證產(chǎn)品出廠合格率，就必須對產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢測。目前通常采用以下兩種方法進(jìn)行檢測, 一是采用熱流計直接檢測 VIP板的導(dǎo)熱系數(shù)，這種方法操作簡單測量準(zhǔn)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(chǎn)使用；二是利用導(dǎo)熱系數(shù)與真空度的關(guān)系，通過利用微型真空規(guī)測量VIP 板板內(nèi)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(chǎn)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(yīng)增加產(chǎn)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(jié)構(gòu)緩慢滲透到VIP板內(nèi)部和芯材使用過程中緩慢釋放氣體,均會破壞板內(nèi)真空度，導(dǎo)致 VIP板的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升導(dǎo)致產(chǎn)品失效。這就涉及產(chǎn)品的使用壽命問題。目前VIP板產(chǎn)品沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，一般定義VIP 板使用壽命如下，在環(huán)境溫度24 ℃和相對濕度50%的標(biāo)準(zhǔn)條件下，隨著時間推移VIP 板的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸上升到0.010W/m·K （超級保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的上限），此時我們認(rèn)為VIP板的壽命終結(jié)，所經(jīng)歷的這段時間就是VIP 板的使用壽命。現(xiàn)在VIP 板使用壽命一般為10~15年，氣相法二氧化硅為芯材的可達(dá)50年。