真空绝热板的基本原理

1、发展概况

真空绝热板是将隔热性能良好的芯材装入隔气结构中，抽真空后再密封起来形成的板材。VIP 板的研发始于上个世纪五十年代，至今已有近六十余年的历 史，九十年代以后欧美许多大公司先后开展了VIP 板的研究，取得了丰富的科研成果。现在VIP板在国内外已经广泛应用于冰箱，冰柜，冷库，冷藏车，冷藏集装箱，医用保温箱，墙体保温等领域，如在日本70%以上的家用冰箱保温层使用了VIP 板，在欧 美VIP板已广泛应用在冷冻车船的运输保温箱中。

2、VIP 板结构

真空绝热板通常由三部分组成：隔气结构、芯材和吸气剂，其结构如下图所示。

1.隔气结构   2.芯层隔热材料   3.气体吸附材料

隔气结构：通常为袋状结构，以下称为“阻隔袋”，作用是将芯材抽真空后封装起来形成真空状态，因此要求这种结构具有良好的阻隔气体能力，同时还要有一定的强度以保护真空腔室不会受到破坏。常用的隔气材料有薄钢板、多层聚酯基薄膜和含金属层的多层聚酯基薄膜等。

芯层隔热材料：以下简称“芯材”，常用多孔隙材料，其首要是起支撑作用，避免在真空条件下隔气结构塌瘪，其次是阻止热辐射，另外其本身为多孔隙材料，接触面少，热传导系数低。常用的芯材有粉末状二氧化硅、气溶胶、开孔聚氨酯 泡沫、开孔聚苯乙烯泡沫和超细玻璃纤维等。

气 体吸附材料：以下简称“吸气剂”，主要作用是吸收VIP 板内的残余空气以维持一定的真空度。阻隔袋抽真空密封后，仍会有极少量气体会渗透到袋内，或者芯材在使用过程中也会缓慢释放一些气体，所有这些气体均会破 坏袋内真空度影 响VIP板的导热系数。因此，必须使用特制的吸气剂，吸收VIP 板内的氮气、氧 气、二氧化碳和水蒸气等气体以保持袋内高真空度。

3、绝热原理

VIP板是采用真空绝热原理制成的，即在较低的空气压力下，材料的导热系数会变得很小。VIP板导热可以看作一维平板导热，其导热过程如下图。

通过VIP 板的一维导热

根据VIP 板的结构特点以及热阻公式 R=δ/λ，VIP 板的总热阻可表达芯材与两 侧壁热阻之和，即

其中，

λ为VIP 板的总导热系数；

λ₀为芯材的表观导热系数；

λ₁，λ₂分别为VIP 板两侧壁的导热系数；

δ为VIP 板总厚度；

δ₀为芯材的厚度；

δ₁，δ₂ 分别VIP 板为两侧壁的厚度；

由式（1.1）整理，得

而芯材表观导热系数λ0又由以下四项的总和组成：

λ₀=λ_g+λ_c+λ_s+λ_r

式中，λ_g为空气的导热系数；

λ_c为空气对流换热系数；

λ_s为隔热材料的固相导热系数；

λ_r为芯材内部的辐射换热系数；

由于VIP 板内空气稀薄，空气的热传导能力非常微弱，另外芯材通常采用的是多 孔隙材料，空间间壁的距离相对缩短，进一步削弱了空气热传导，因此空气热传 导近似为零，即λ_g=0；气体被分隔或者密闭在无数微小的空间之内，抽真空后 袋内空气分子间的平均自由程大于芯材之间的孔隙，气体分子之间的热交换几乎 不存在，因此对流传热可以忽略不计，即λ_c=0。因此，芯层表观导热系数可以表示为λ₀=λ_s+λ_r

4、影响λ的因素

导热系数λ是表征材料导热性能优劣的参数，单位为W/m·K。不同材料的导热系数数值不同，即使同一种材料，导热系数也受很多因素影响。下面简单阐述真空度、温度和芯材含湿率对λ的影响，这样有利于我们寻找减小导热系数，提高VIP 板绝热性能的途径。

（1） 真空度

VIP 板之所以有如此优异的绝热性能，很大程度上得益于袋内的真空度。因 为VIP 板芯材多为粉末状或者纤维状，气体热传导起了很大的作用。芯材表观导 热系数与残余气体压力关系如下图。

从上图了解到，当残余气体压力从大气压下降到10Kpa时，表观导热系数保持为常数，即该压力范围内导热系数与绝热层中气体压力无关。当压力进一步降低， 即压力为1~ 10³Pa 之间时，导热系数几乎随着残余气体压力呈线性变化，随着压力的下降导热系数也明显下降。当压力低于1Pa 时，由于气体分子导热和固体导热小，导热系数完全取决于辐射传热和固体导热，这是导热系数趋于常数。所以，VIP 板制作过程中，选择VIP板的板内真空度一般取1Pa 以下即可，进一步抽真 空对于降低导热系数没有实际意义。

（2） 温度

温度对绝热材料导热系数有直接影响，温度升高，材料的导热系数一般会上升。由式（1.5）可知 λ∝T²，因此随着温度的增加辐射导热因子的作用会有大大地加强，λ会显著增大。λ可表示为：

λ= 4 GdεσT²

式中，G 为气孔的几何因子，d 为气孔平均直径（m）,ε为气孔的热发射率，σ为斯蒂芬波尔兹曼常数，T为温度。因此，VIP 板用在低温环境下会比在高温环境下取得更好的绝热效果。

（3） 芯材含湿率

芯材为多孔结构很容易吸收水分，老化时也会分解而释放部分水分和气体。 空气的导热系数为 0.029W/m·K，而水的导热系数为 0.58W/m·K， 是空气的 20 倍，同时水蒸汽又使得VIP板的真空度变坏，因此芯材中的水分对VIP 板的导热系数影响极大。研究表明：当含湿率大于5~10%，绝热材料吸湿后水分占据了多孔 介质的气孔空间，引起其导热系数急剧升高，导热系数为 0.03W/m·K 的绝热 材料吸收1%的水分后导热系数增加25%，以后并按倍数增加。如果绝热材料有开 孔连通气孔，水分会在毛细管作用下渗透到其它部位，危害更大。因此，VIP 板制作过程中必须将芯材充分烘干。

除了上述真空度、温度、材料含湿率外，芯材的容重、比热容和粒度，填充 的气体类型以及隔气结构的隔气能力对VIP 板板的导热系数均有影响。

5、VIP 板可靠性和寿命

如要保证产品出厂合格率，就必须对产品进行抽样检测。目前通常采用以下两种方法进行检测, 一是采用热流计直接检测 VIP板的导热系数，这种方法操作简单测量准确，但每片VIP 板检测时间约需10分钟，检测效率低不宜批量生产使用；二是利用导热系数与真空度的关系，通过利用微型真空规测量VIP 板板内真空度来间接判定其可靠性，这种方法方便快捷，适宜批量生产在线检测，但是 目前这种检测手段还不太完善，且增加压力传感器会相应增加产品成本，因此目前使用还不是很普遍。

VIP 板板使用过程中，由于外部气体透过隔气结构缓慢渗透到VIP板内部和芯材使用过程中缓慢释放气体,均会破坏板内真空度，导致 VIP板的导热系数逐渐上升导致产品失效。这就涉及产品的使用寿命问题。目前VIP板产品没有国家标准，一般定义VIP 板使用寿命如下，在环境温度24 ℃和相对湿度50%的标准条件下，随着时间推移VIP 板的导热系数逐渐上升到0.010W/m·K （超级保温材料导热系数的上限），此时我们认为VIP板的寿命终结，所经历的这段时间就是VIP 板的使用寿命。现在VIP 板使用寿命一般为10~15年，气相法二氧化硅为芯材的可达50年。