以傳統(tǒng)的大平板熱保護(hù)法測(cè)量絕熱材料為理論基礎(chǔ)，提出基于埋入式熱流計(jì)法快速測(cè)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(cè)量原理的可行性。通過硬件電路設(shè)計(jì)和相關(guān)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了真空絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)的快速測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)方案具有操作簡便、檢測(cè)速度快、測(cè)量精度高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)。另外，VIP 使用長久之后，氣體會(huì)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(cè)VIP 的老化程度，也必須精確測(cè)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(cè)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(jì)算出VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)。該裝置雖然測(cè)量精度高，但穩(wěn)定時(shí)間長，而且該裝置受儀器尺寸的局限性，無法測(cè)量大尺寸的VIP 導(dǎo)熱系數(shù)。中國研制的這類測(cè)試裝置主要有天津英貝兒測(cè)控設(shè)備有限責(zé)任公司研制的雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(cè)定儀等。

　　目前國外VIP 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法主要有兩種:常規(guī)檢測(cè)和快速檢測(cè)。常規(guī)檢測(cè)即采用國際上通用的熱流計(jì)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)，如日本EKO 公司基于熱流計(jì)研制的HC-074 系列導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，測(cè)量精度高，但一次的檢測(cè)時(shí)間約為30 ～60 min。此種檢測(cè)速度很難于滿足大規(guī)模生產(chǎn)VIP 的要求。若購買多臺(tái)儀器檢測(cè)，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(cè)困難的問題，真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認(rèn)為快速檢測(cè)方法顯然具有很大的優(yōu)勢(shì)和市場。如EKO 公司推出的HC-120 VIP 快速檢測(cè)儀，使檢測(cè)時(shí)間縮短至6min 以內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)了VIP 板的快速檢測(cè)。相對(duì)于常規(guī)檢測(cè)來講，快速檢測(cè)方法大大提高了速度，但檢測(cè)成本較高。

　　由于國內(nèi)對(duì)VIP 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)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(cè)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(jì)法快速測(cè)量VIP 導(dǎo)熱系數(shù)的方法。測(cè)量范圍為1 ～15 mW/( m·K) ，測(cè)量誤差< 5%，測(cè)量時(shí)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(cè)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(huì)維持為一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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�；�于埋入式熱流計(jì)法快速測(cè)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(duì)流和熱輻射三種基本方式。導(dǎo)熱、對(duì)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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(hào)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(cè)量模塊精確檢測(cè)內(nèi)部RC 振蕩電路的輸出信號(hào)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(cè)量方法計(jì)算出VIP 的導(dǎo)熱系數(shù)。

5、測(cè)量結(jié)果與誤差分析

　　另選擇10 塊VIP 板進(jìn)行測(cè)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(cè)定儀測(cè)定其導(dǎo)熱系數(shù)，然后根據(jù)上述測(cè)量方法得到如表2 所示的測(cè)量數(shù)據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

　　從表2 中不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量值存在一定的誤差。導(dǎo)致測(cè)量值存在誤差的因素: 在實(shí)驗(yàn)中通過一元回歸分析將VIP 導(dǎo)熱系數(shù)和其內(nèi)部測(cè)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(cè)量結(jié)果存在誤差，可選擇多元回歸分析提高測(cè)量精度; 另外，VIP 內(nèi)部測(cè)量組件中電子元器件的參數(shù)誤差同樣會(huì)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(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度。

6、結(jié)論

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