真空中空玻璃的应用及发展趋势



真空中空玻璃

自 1913 年 A.Zoller 提出真空玻璃的构想以来,近 100 年来真空玻璃技术日趋成熟。

本文主要针对真空玻璃的主要优点,从真空玻璃的应用领域,比较中空玻璃的隔音、传热、抗凝露等特点。此外,1999年至2018年间中空玻璃和真空玻璃的对比是通过公开专利进行的,以陈述节能玻璃的未来。真空玻璃的关键技术和趋势也为当前的真空技术指明了方向。

一、VIG介绍

典型的VIG结构是由两片玻璃构成,中间由高度为0.1~0.5mm的柱子隔开,边缘用焊锡连接,可密封为真空室,压力小于0.1pa。为了保持真空度的稳定性,在真空室内应用了吸气剂。目前市面上的VIG都是通过以下两个步骤制作的

1) 密封眼镜边缘;
2) 将预留的吸气口中的空气抽吸一到三个小时左右,然后将吸气口封住,形成真空室。

不同的原始透明玻璃片,在VIG结构上的传热性能存在巨大差异(如图1所示)。如表1所示,如果任何一种玻璃为low-E玻璃,VIG的热性能将显着提高,其传热系数将降低至0.4 W·m-2·K-1。

VIG 的结构

图 1. VIG 的结构

不同配置 VIG 的传热性能

表 1 不同配置 VIG 的传热性能

自 1913 年以来 A.Zolleret al。首次提出VIG的概念,经过100多年的发展,VIG已从实验室走向产业化,成为新一代节能玻璃。如图2所示,在中国市场,1999年公开的VIG专利只有5件,VIG的概念刚刚提出;但截至2015年底,VIG专利数量已达到363件,其中VIG专利数量占节能玻璃相关专利总数的29.73%,VIG的作用越来越大。在节能领域的作用。

中国VIG技术生命周期图

图2 中国VIG技术生命周期图

从1999年到2018年,中国VIG专利数量大幅增加,从全球网站来看,中国境外公开的VIG专利数量为35件,与2015年中国国内专利公开数量保持相同的增长趋势。因此,VIG将成为未来节能玻璃的主要发展方向。

二、VIG的优势

由于其高真空度,VIG已向世界展示了出色的隔热、防凝露和隔音效果。

2.1 隔热

不同玻璃结构的观察箱

图 3 不同玻璃结构的观察箱

从VIG结构上看:边缘焊接,中心由支撑隔开,成为真空室;由于上述结构,VIG中心区域的传热系数远小于其边缘,考虑到实际应用中,边缘的传热与窗框材料有关。因此,玻璃中心区域的U值只是为了参数的可比性而测量的。

VIG 中心的传热通过辐射、支持接触和气体残留进行。根据《真空隔热玻璃传热系数》和唐建正对冷凝温度的计算,当真空度小于0.1Pa时,可以忽略残余气体的传热,因此VIG的传热系数由玻璃的发射率如公式 1 所示。

对于中空玻璃来说,传热是由空气传热和玻璃的辐射共同决定的,但空气传热占主导地位。根据表2,中空玻璃的热传递远高于相同辐射率的原始玻璃的VIG。

不同结构玻璃的辐射值

表 2 不同结构玻璃的辐射值

在表2玻璃结构的基础上,真空观察箱与其他材料制作的观察箱相比,表现出更好的隔热能力;当室外温度为25℃时,室内温度保持在60±5℃一小时,地表温度VIG(2#观察窗)为25.3℃,与室外温度基本一致。

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注:R1玻璃内热阻;R2外玻璃热阻;辐射热阻辐射热阻;Rsupport 支撑热阻;气体残余物的热阻;VIG的真空热阻;VIG 的真空电导率。

2.2 防凝露

抗凝露性能包括两部分:

1)VIG四周密封,真空层不会出现冷凝现象。
2)室外温度低,室内温度高;因此,VIG 层内表面的温度高于露点温度,因此即使室外温度较低,VIG 内层也不会凝结。

中空玻璃与VIG的结露性能对比见表3,结果表明VIG的抗结露性能较好。在室内25℃、湿度75%的条件下,VIG开始结露时,室外温度必须吹-69.5℃;但是对于中空玻璃,临界温度只需要在 -4 °C 时就可以达到。

VIG 与中空玻璃凝露对比

表 3 VIG 与中空玻璃凝露对比

2.3 隔音

根据建筑隔声测量标准(GBJ75-1984),选用550×650mm尺寸、厚度10.3mm的VIG进行隔声性能测试,使用自由场传声器BSWA BK2716、3560B、放大器BK2716和全向声混响室和消声室中的源 BK4296。声学曲线可以通过计算机和声学校准器4321以1/3倍频程计算的声学量计算,如图4所示。

VIG 上的隔声值图

图 4. VIG 上的隔声值图

从图4可以看出,在160-6300Hz范围内,低于500Hz的隔声性能相对较低。原因是低频更容易引起玻璃的振动,声能通过立柱从一侧传递到另一侧。

在500Hz到3150Hz的频率范围内,玻璃的隔音性比较高。在 1250Hz 时最大值为 42.5db,而最小值为 35dB。5+0.3V+5VIG的透声损耗为39dB,5+9A+5中空玻璃仅为26dB,5+0.76p+5夹层玻璃为32dB,因此VIG的隔声性能明显优于夹层玻璃和中空玻璃。

三、VIG的技术发展趋势

专利不仅具有商业价值,保护发明人的合法权益,而且还直接反映相关技术关注点和发展趋势。通过对2018年国际公开发表的167件VIG相关专利的分析,细化了其专利技术的构成,也明确了VIG未来的发展趋势。

3.1 柔性密封技术

在已发表的文献中,VIG封接技术包括金属封接、玻璃粉封接、​​金属有机胶封接、金属玻璃粉封接、​​有机胶封接、玻璃粉有机胶封接、树脂封接等工艺。2018年公开的专利中,公开了8项金属材料密封专利,占整个密封方法专利的40%,成为新技术热点。

为了实现两片玻璃板的柔性连接,降低封口力,同时减缓因内外温差引起的VIG变形,采用金属材料封边VIG的。目前市场上已经看到金属密封VIG,方法是先在高温下烧结,在VIG表面形成如下图所示的致密金属层,然后将两组玻璃组合在一起用软焊料变成真空室。

上述密封结构虽然降低了封边力,实现了柔性连接,但要实现真正的柔性密封技术,即封边无应力,玻璃热膨胀过程无约束,仍需不断改进。玻璃板金属层的微观结构如图5所示。

玻璃板金属层的微观结构

图 5 玻璃板金属层的微观结构

3.2 回火VIG

通过使用钢化玻璃板合成VIG,可以有效提高VIG的机械强度。但是,如果温度过高或时间过长,会导致钢化玻璃板在VIG封接过程中回到淬火状态。据公开资料显示,4.6mm钢化玻璃在350℃加热0.5~1小时,钢化度仅保留80%。因此,在回火 VIG 的生产中开发一种可以在 350 °C 以下工作的焊料非常重要。

目前市场上的钢化VIG主要采用以下两种方法生产:第一种是利用红外吸收率低的玻璃粉焊料;通过红外辐射加热玻璃边缘,VIG的大部分区域都可以达到钢化状态。第二种是采用传统工艺用金属焊料密封玻璃,瞬间升温至300℃并保温3~5秒,使金属焊料完全熔化,然后VIG表面和边缘应力可大于 90 Mpa。

从2018年发布的专利可以看出,60%以上的专利集中在回火VIG,主要包括VIG焊接材料、密封设备、密封方法等。

3.3 连续加工技术

2018年VIG行业连续加工技术领域国际开放专利31项,约占全部专利的18.6%。图6显示了31项连续加工技术专利的技术构成。

在图6中,连续加工技术主要包括生产线和生产工艺,公开的专利数量分别为10件和21件。与2017年相比,专利数量变化不大,基本处于稳定状态。这意味着VIG的连续加工技术处于可持续发展阶段,尚未达到成熟阶段。连续生产线仍需不断改进,以确保每件VIG的质量,并在未来实现更高的生产力。

2018年国际连续技师技术构成分析

图6 2018年国际连续技师技术构成分析

3.4 复合VIG

VIG与其他玻璃的结合可以进一步提高VIG的机械和光学性能,同时赋予VIG一定的功能,如复合夹层真空玻璃可以提高VIG的安全性,使真空玻璃成为可能用于幕墙;光伏(BIPV)将VIG与太阳能光伏板结合形成光伏幕墙;VIG-电致变色玻璃可根据不同需求调整遮光系数,提高VIG的光热性能。

从图7可以看出,2018年共公开了22件VIG产品申请专利,其中复合VIG专利15件,占比约68.2%,主要涉及VIG-电致变色玻璃、VIG-镀膜玻璃、VIG-多层复合玻璃、VIG热致变色玻璃和VIG-夹层玻璃。

2018年国际VIG产品及申请专利构成

图7 2018年国际VIG产品及申请专利构成

四、VIG的应用

4.1 VIG在家电中的应用

创造家电产品的艺术价值、提高产品的智能化、减少污染、降低能耗是家电厂商的主要设计理念。玻璃由于其优异的物理和美学特性而被广泛用作家用电器的部件。2004年,LG冰箱开始使用水晶玻璃面板代替塑料和金属面板。随后,西门子、松下和格力推出了水晶玻璃冰箱和洗衣机。2018年,AWE和LG推出了采用门中门技术的智能透视窗冰箱。

透视窗为三层钢化玻璃,两层氩气,内层钢化玻璃为纳米涂层,带触摸传感器,整体呈现镜面效果;使用时,感应器贴两下门即可点亮透视窗,无需打开冰箱门即可看到内部食物储存情况。通过减少开启次数,冷风量保持不变,食物保鲜时间更长,压缩机寿命也延长。因此,该装置使冰箱不仅为人们带来健康,也为地球节约了能源。

同年,西门子、安东尼和海尔展示了一款以VIG为透视窗的冰箱,但面板厚度从50mm减少到30mm,使箱体更薄更轻;窗框传热系数从1.0W·m²·k-1降低到0.45W·m²·k-1,降低了冰箱的能耗;由于VIG观察窗,冰箱不需要安装额外的电加热除雾装置,使冰箱的结构更加简单。

基于以上优势,以VIG为观察窗的智能冰箱成为未来冰箱行业发展的主要方向。同时,VIG作为大冰箱、酒柜的门面问世,说明其具有良好的节能和抗凝露性能。

4.2 VIG在建筑中的应用

VIG以其优异的隔热、抗凝露和隔音性能,在建筑领域显示出绝对的性能优势和广阔的应用前景。2005年,全球第一座VIG幕墙写字楼落成;2006年,世界上第一个VIG温室建成;2011年,建成首个全VIG大型图书馆。虽然以VIG为墙体的建筑物不断出现,但由于VIG密封方式的多样,也出现了一些VIG损坏和真空度失效的现象。

针对VIG前期的质量问题,厂家不断优化工艺,提高设备稳定性。对于未钢化的VIG,采用中空玻璃可以满足安全建筑标准的要求。2014年首次推出金属材料密封的钢化VIG。大大提高了VIG的安全性能,降低了VIG的密封应力和自爆率。2018年展出了6mm超薄未密封VIG,代表着VIG将向更薄的方向发展。

同时,VIG产品标准也在不断建立和完善。2014-2017年,中国建筑材料研究总院修订了2008年发布的TC/T 1079-2008,2017年通过了复审版本。2014年12月,布鲁塞尔ISO/TC160/SC1/WG10 VIG工作组在成立并召开了第一次会议。2018年,ISO19916建筑VIG产品标准发布。

五、 总结

考虑到VIG的传热系数为0.46W·m-2·K-1,传输损耗为39dB,露点为-69.5°C,室内温度25°C,湿度75%,VIG表现出绝对优势的性能。根据文章引用的数据,VIG技术未来的发展趋势主要包括:

1)边缘采用柔性密封,减少密封力;
2)采用钢化玻璃,提高VIG的强度和安全性,同时要求VIG表面应力分布均匀;
3)采用大规模生产线,保证VIG的质量稳定性和可靠性,降低成本。

随着VIG生产工艺的不断改进、生产厂家设备的完善和VIG标准的完善,最终VIG将越来越成熟,将成为节能领域的主要发展方向。

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