以傳統(tǒng)的大平板熱保護(hù)法測量絕熱材料為理論基礎(chǔ)，提出基于埋入式熱流計法快速測量真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)的方案。通過有限元分析軟件ANSYS 仿真分析，證明了該測量原理的可行性。通過硬件電路設(shè)計和相關(guān)測量方法，實現(xiàn)了真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)的快速測量。實驗結(jié)果表明，該檢測方案具有操作簡便、檢測速度快、測量精度高、成本低廉等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量領(lǐng)域。

　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)問題日趨嚴(yán)峻，要從根本上解決能源危機(jī)已迫不及待。真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel，VIP) 是目前世界上最先進(jìn)的高效保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在4 mW/( m·K) 左右，相當(dāng)于普通絕熱材料的十倍甚至更高，而其厚度僅為普通絕熱材料的1 /7，因此具有環(huán)保和高效節(jié)能的特性。VIP 采用真空隔熱原理，由芯部的隔熱材料和封閉的隔氣薄膜組成，填充芯材與真空保護(hù)表層嚴(yán)密復(fù)合，可有效避免空氣對流引起的熱傳遞，導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低，從而達(dá)到絕佳的保溫效果。導(dǎo)熱系數(shù)是表征VIP 導(dǎo)熱性能的重要物理量。VIP 導(dǎo)熱系數(shù)的精確測量，有利于將VIP應(yīng)用于絕熱保溫場合，并為系統(tǒng)選擇保溫材料提供依據(jù)。為了能生產(chǎn)出低導(dǎo)熱系數(shù)的VIP，必須精確測量VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)。另外，VIP 使用長久之后，氣體會滲透到板內(nèi)，使板內(nèi)真空度破壞，引起它的導(dǎo)熱系數(shù)大大提高，保溫性能迅速下降。因此，為了檢測VIP 的老化程度，也必須精確測量VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　目前國內(nèi)主要采用大平板熱保護(hù)法及其原理研制VIP 導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置。該裝置是基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱下，采用熱流量的方式計算出VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)。該裝置雖然測量精度高，但穩(wěn)定時間長，而且該裝置受儀器尺寸的局限性，無法測量大尺寸的VIP 導(dǎo)熱系數(shù)。中國研制的這類測試裝置主要有天津英貝兒測控設(shè)備有限責(zé)任公司研制的雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀和沈陽鑫合經(jīng)緯機(jī)械電子設(shè)備有限公司研制的導(dǎo)熱系數(shù)測定儀等。

　　目前國外VIP 導(dǎo)熱系數(shù)測量方法主要有兩種:常規(guī)檢測和快速檢測。常規(guī)檢測即采用國際上通用的熱流計法測量導(dǎo)熱系數(shù)，如日本EKO 公司基于熱流計研制的HC-074 系列導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，測量精度高，但一次的檢測時間約為30 ～60 min。此種檢測速度很難于滿足大規(guī)模生產(chǎn)VIP 的要求。若購買多臺儀器檢測，雖然速度得到了提高，但大大增加了成本。為解決VIP 板質(zhì)量檢測困難的問題，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為快速檢測方法顯然具有很大的優(yōu)勢和市場。如EKO 公司推出的HC-120 VIP 快速檢測儀，使檢測時間縮短至6min 以內(nèi)，真正實現(xiàn)了VIP 板的快速檢測。相對于常規(guī)檢測來講，快速檢測方法大大提高了速度，但檢測成本較高。

　　由于國內(nèi)對VIP 導(dǎo)熱系數(shù)測量技術(shù)的研究比較晚，發(fā)展還不夠成熟。因此，本文以傳統(tǒng)的大平板熱保護(hù)法測量絕熱材料為理論基礎(chǔ)，致力于研究出一種新型的基于埋入式熱流計法快速測量VIP 導(dǎo)熱系數(shù)的方法。測量范圍為1 ～15 mW/( m·K) ，測量誤差< 5%，測量時間大約為60 s。根據(jù)美國ASTMC1484-01 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)大于11.5mW/( m·K) 被認(rèn)為失效。

1、VIP 導(dǎo)熱系數(shù)測量原理

　　VIP 芯部的隔熱材料多采用玻璃纖維，在傳熱的過程中，氣體起了很大的導(dǎo)熱作用。如果將VIP 內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)下降到一定的程度，VIP 導(dǎo)熱系數(shù)將會維持為一個較低的常數(shù)。如圖1 所示為VIP 導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)部氣體壓強(qiáng)的關(guān)系曲線。

圖1 VIP 導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)部氣體壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

　　從圖1 可以看出，當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)下降到10kPa 時，VIP 導(dǎo)熱系數(shù)維持為常數(shù); 當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)在1 ～ 10³ Pa 之間時，VIP 導(dǎo)熱系數(shù)隨內(nèi)部氣體壓強(qiáng)呈線性變化; 當(dāng)內(nèi)部氣體壓強(qiáng)低于1 Pa 時，VIP 導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小且趨于常數(shù)。因此，在生產(chǎn)VIP 時，VIP 內(nèi)部氣體壓強(qiáng)通常在1 Pa 以下。在傳熱學(xué)中，Stefan-Boltzmann 定律描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律，即

　　式中，E( T) 為黑體的輻射熱流密度; σ≡5.67 × 10 ^-8 W/( m²·K⁴ ) ，稱為黑體輻射常數(shù); T 為黑體表面的熱力學(xué)溫度。由Stefan-Boltzmann 定律可知，黑體的輻射熱流密度隨溫度下降而迅速減小。基于埋入式熱流計法快速測量VIP 導(dǎo)熱系數(shù)主要機(jī)理如下:

　　(1) 熱量傳遞有導(dǎo)熱、對流和熱輻射三種基本方式。導(dǎo)熱、對流這兩種熱量傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實現(xiàn)，而在真空環(huán)境中，物體以輻射方式傳遞熱量最為有效。

　　(2) 設(shè)一個電阻被內(nèi)置于表面積為A 的VIP 內(nèi)部中心位置，VIP 處于溫度為Tsurr的環(huán)境中。當(dāng)電阻被加熱到溫度Ts時，電阻與周圍環(huán)境之間的凈輻射傳熱量為

　　式中，ε 為電阻的表面發(fā)射率，取值范圍為0 ～1，是描述電阻與黑體在發(fā)射熱輻射能力上的差別的物理量; σ 為黑體輻射常數(shù); A 為VIP 的表面積; Ts、Tsurr分別表示電阻溫度和環(huán)境的溫度。

　　(3) 取同樣大小的電阻和熱敏電阻分別埋在VIP 內(nèi)部中心位置。在相同溫度、濕度的環(huán)境下，由于VIP 內(nèi)部氣體壓強(qiáng)不同，導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)不同。因此當(dāng)電阻被加熱到溫度Ts停止加熱時，電阻在VIP內(nèi)部的熱輻射強(qiáng)度也不同。將熱敏電阻接入RC 振蕩電路中，振蕩電路輸出信號頻率的大小反映了VIP內(nèi)部電阻熱輻射速度的變化。

　　(4) 通過外部測量模塊精確檢測內(nèi)部RC 振蕩電路的輸出信號頻率的大小，再將數(shù)據(jù)通過232 通信傳送到PC 機(jī)上，最后經(jīng)過相關(guān)的測量方法計算出VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)。

5、測量結(jié)果與誤差分析

　　另選擇10 塊VIP 板進(jìn)行測試，該10 塊VIP 板同樣已經(jīng)過日本EKO 公司的HC-074-300 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定其導(dǎo)熱系數(shù)，然后根據(jù)上述測量方法得到如表2 所示的測量數(shù)據(jù)。

表2 實驗測量數(shù)據(jù)

　　從表2 中不難發(fā)現(xiàn)，實際的導(dǎo)熱系數(shù)測量值存在一定的誤差。導(dǎo)致測量值存在誤差的因素: 在實驗中通過一元回歸分析將VIP 導(dǎo)熱系數(shù)和其內(nèi)部測量組件的頻率變化特征值近似線性關(guān)系，這種線性關(guān)系必定導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差，可選擇多元回歸分析提高測量精度; 另外，VIP 內(nèi)部測量組件中電子元器件的參數(shù)誤差同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)存在一定的誤差，尤其是熱敏電阻的精度極大地影響了本實驗的測量精度。

6、結(jié)論

　　本文通過仿真分析和大量的實驗驗證了基于埋入式熱流計法快速測量VIP 導(dǎo)熱系數(shù)方案的可行性。該檢測方法與傳統(tǒng)的測量方法相比，不但降低了成本，而且提高了檢測速度。因此，這種測量方法具有較高的應(yīng)用價值，同時有利于推動國內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)快速測量的發(fā)展。