真空绝热板在冷链系统中的应用.docx

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真空绝热板在冷链系统中的应用

真空绝热板在冷链系统中的应用

厦门高特高新材料有限公司余献望胡永年

摘要：

易腐食品在生产、贮藏、运输、销售,到消费前的每个环节始终处于规定的低温环境下，即冷链运作的每个环节始终和能耗密切相关，因此，控制能耗降低冷链运营成本对于促进冷链的发展至关重要。

在冷链系统建设过程中，除了采用高效的制冷机组外，改善箱体壁面的保温能力也能取得良好的节能效果。

而真空绝热板（VacuumInsulationgPannel,以下简称VIP板）是一种新型超级保温材料，其导热系数小于0.004W/m·K，约为常用保温材料的1/6~1/10，如将VIP板应用到冷链系统中定能大幅度地降低能耗取得良好的经济效益。

本文首先简述了VIP板的概况，接着介绍VIP板应用研究情况，最后介绍VIP板在冷链系统中的应用工艺。

关键字：

真空绝热板，VIP板，导热系数，冷链，节能，应用

一、真空绝热板的概述

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，起初用粉状二氧化硅做芯材，七十年代开始使用开孔泡沫塑料。

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。

VIP板常用的吸气剂都是意大利赛伊斯吸气剂公司生产的钡锂复合吸气剂。

目前我司生产的VIP板,其阻隔袋材料为含金属层的多层聚酯基薄膜，芯材用超细玻璃纤维，吸气剂为意大利赛伊斯的钡锂复合吸气剂，该产品在绝热能力、机械强度、使用寿命和使用范围等综合性能表现出色。

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

，VIP板的总热阻可表达芯材与两侧壁热阻之和，即

其中，

为VIP板的总导热系数；

为芯材的表观导热系数；

分别为VIP板两侧壁的导热系数；

为VIP板总厚度；

为芯材的厚度；

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

又由以下四项的总和组成：

式中，

为空气的导热系数；

为空气对流换热系数；

为隔热材料的固相导热系数；

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

；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

。

因此，芯层表观导热系数可以表示为

芯材通常为多孔隙材料，芯材之间为点接触或者线接触，因此芯材所引起的固相热传导也很小，即

很小。

此外，粉末状或者纤维状的芯材在间壁中增加了辐射和散射的作用，故

也很小。

因此，芯材表观导热系数

很小。

VIP板壁厚和导热系数是通常是不变的，当芯材厚度一定的情况下，由式（1.2）可知，VIP板的总导热系数

取决于芯材表观导热系数

，即

越小，

就越小。

4、影响

的因素

导热系数

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

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~

Pa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

，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，

会显著增大。

可表示为：

式中，G为气孔的几何因子，d为气孔平均直径（m）,

为气孔的热发射率，

为斯蒂芬波尔兹曼常数，T为温度。

因此，VIP板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，在此不一一详述。

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，根据我司企业标准定义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。

VIP板使用寿命跟板内真空度直接相关，因此要延长产品的使用寿命，必须改善板内真空度。

通常我们从以下两个方面改善真空度：

①结构上，提高阻隔袋材料的阻隔性能，增加吸气剂；②工艺上，保持生产环境整洁干燥，充分烘干芯材，适当延长排气时间。

二、真空绝热板应用研究

1、保温效果

为了确切评估真空绝热板隔热效果，我们专门制作一套模具来成型方箱，比较真空绝热板与常用保温材料硬质聚氨酯泡沫塑料的保温性能。

两个箱子尺寸完全相同，其中外形尺寸40cm*40cm*44cm，保温层壁厚4cm，箱体盖子壁厚7cm,其中一个为纯PU发泡，另外一个内壁镶嵌厚度为1cm的VIP板再PU发泡。

实验时两个箱子装有完全一样的冷源。

将箱子放在恒温恒湿试验机内，设定试验机温度为40℃，现对湿度为50%，然后测得箱内温度连续变化曲线如下：

从上图可以直观看到

（1）48小时观测期间内，用了VIP板的箱子冷却速度比纯PU的箱子快，且箱内最低平衡温度比纯PU的低很多，这说明实验中箱子使用了VIP板，能够大大地提升降温速度缩减作业等待时间，且达到同样的保温效果，使用的冷源远比没有使用VIP板的少。

（2）使用了VIP板的箱子回温速度比纯PU的箱子慢，这说明使用了VIP板后能够延长保冷时间。

因此，使用VIP板加快冷却速度，减少作业等待时间；降低回温速度，延长保冷时间；保证相同保温效果前提下，能够大大地降低能耗。

国外许多大公司不断开发VIP板产品，提升VIP板品质的同时，还进行了大量深入应用研究。

如陶氏化学公司曾做过如下实验，定量分析了使用VIP板带来的经济效果。

冷藏保温箱内装相同保温物品，

（1）用PU泡沫时，外形尺寸57cm*50cm*50cm,保温层厚度3.8cm，内装21.8kg冷却剂，保温时间为120h；

（2）用VIP板隔热时，外形尺寸33cm*46cm*28cm,保温层厚度2.5cm，内装7kg冷却剂，保温时间为200h；

采用了VIP板后，保温箱的体积减少了70%，冷却剂减少了68%，而保温时间则延长了66%。

减少了运费，提高了运输距离。

西门子公司则用容积120L，内部尺寸45cm*50cm*53.5cm，保温层厚度5cm的冰箱进行实验，用20mm的VIP板对60%的隔热面进行隔热。

保持保温层厚度不变时，可节能23%，保持能耗不变时，可将保温层厚度降到30mm,增加冰箱容积22%。

国内外研究表明，当VIP板板作为保温材料使用时（以嵌板的形式使用）

（1）同等保冷要求的情况下，可以减小箱体壁厚，增大内部容积，同时还可减轻重量。

（2）保温箱壁厚相同的情况下，箱壁如果使用了VIP板,则可以延长保冷时间，节约能量。

2、应用工艺

尽管VIP板有出色的绝热保温性能，但由于其本身的结构特点和生产工艺等因素影响，VIP板在实际应用有以下特点。

（1）VIP板结构较为特殊，应用过程中不能切割加工成各种规格和形状，只能根据应用情况事前就确定好产品的规格和尺寸

（2）VIP板隔气结构通常采用多层聚酯基薄膜，容易刮花破损，故VIP板实际应用中通常需要外加防护装置；

（3）VIP板阻隔薄膜强烈拉伸后，薄膜容易变薄产生气孔，或者损坏密封边，故VIP板通常不能折弯或者使用在曲率半径太小的曲面上；

（4）VIP板板边缘通常不是很平整，因此板与板拼接时有较大的间隙，故VIP板常常作为嵌板和常规的绝热材料如硬质聚氨酯发泡配合使用，才能填补拼接缝隙防止漏热；

（5）由于生产设备限制，目前国内VIP板成品面积一般在2

以内，应用到冷库、冷藏集装箱、墙体等壁面较大的情况下，常需要连接件来联结成大平面；

针对VIP板上述缺陷，实际应用中必须采取相应的防护措施来解决：

（1）将VIP板用粘胶剂粘贴在冷藏保温箱隔热空间的内侧或者外侧，然后浇注聚氨酯原液到隔热空间内整体发泡，泡沫填充保温腔内的每个空间，同时紧紧包裹VIP板。

（2）将VIP板安放在矩形盒模内，注入聚氨酯原液发泡成型，这样的话，聚氨酯泡沫就紧紧地包裹在VIP板的周围，开模后形成了聚氨酯与VIP板的块状复合板；

三、VIP板在冷链系统中的应用工艺

冷藏冷冻类食品在生产、贮藏、运输、销售，到消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下，因此超级绝热保温材料VIP板能够应用到冷链系统中的每一个环节。

不论是冷库、冷藏车、冷藏集装箱，还是冰箱冰柜其保温空间大多是长方形结构，这里我们以冷藏车隔热车厢为例阐述VIP板的实际应用中的装配工艺，VIP板在其它领域的应用跟冷藏车相仿，可参考借鉴。

冷藏保温车通常由是由顶板、底板、左右侧壁、前壁、后门框和门组成。

由于要求车厢具有隔热保温功能，因此其骨架同时起承载与断热的双重作用，其中以承载为目的的骨架称为主骨架，一股选用强度和刚度较高的金属材料，而以断热为目的骨架称为辅助骨架，一般选用非金属材料，安装在主骨架的外侧或内侧。

车厢的内外蒙皮分别与主骨架和辅助骨架拉铆联结，形成了填装隔热材料的空间。

外蒙皮多为平板形，但左、右侧壁外蒙皮常压成瓦楞形或半圆形，内蒙皮一般为平板形，内外蒙皮常用钢板、铝合金板、不锈钢板、玻璃钢板等。

根据隔热车厢不同结构型式，采用的工艺流程不同，VIP板使用方式也不同。

1、整体结构隔热车厢。

该车厢是茬一般车厢基础上发展而成的传统结构，在骨架交汇处焊接加强板，以增加整体强度和刚度。

整体结构隔热车厢根据发泡工艺不同，可分为现场喷涂发泡式和现场注入发泡式两种。

（1）现场喷涂发泡式的工艺流程是：

零部件制作——各片金属骨架总成——车厢金属骨架总成——铆接外蒙皮——安装辅助骨架——喷涂泡沫隔热层，加工取平——刷胶，粘贴VIP板板——刷胶，安装内蒙皮——装厢内压条及附件——装后门总成

（2）现场注入发泡式的工艺流程是：

车厢外部整体成形——车厢淋雨试验——内蒙皮粘贴VIP板板——安装车厢内蒙皮——注入发泡材料——安装厢内附件——安装车厢后门

采用现场喷涂发泡硬聚氨酯泡沫的成形工艺，隔热材料易于充满整个隔热车厢的隔热空间，故隔热性能较好，但隔热层厚度不易控制均匀，安装VIP板之前隔热层内表面须经过加工取平。

喷涂发泡的现场空气污染严重，工人劳动强度大，现已基本不采用此工艺，只是在车厢维修中采用。

现场注入发泡工艺则是，先制成整体骨架型式车厢并预留隔热空间，然后整体注入硬聚氨酯泡沫，泡沫迅速膨胀充满整个隔热空间，并填充VIP板板间空隙紧紧包裹住VIP板。

由于车厢具有完整的隔热层，故隔热密封性能好，但发泡时产生很大的膨胀力，故须用大型夹具定位，且箱壁平整度也较差。

如采用先将聚氨酯各组分在注入前先进行一定程度的发泡，然后再注入隔热层空腔内发泡定型，即“二次发泡工艺”，则不需要大型夹具，但二次发泡工艺较难掌握。

2、分片拼装隔热车厢。

其结构特点是：

先将组成车厢的顶板、底板、左右侧壁、前壁、后门框和门各自形成厢壁隔热层，然后再拼装成完整的车厢。

分片拼装隔热车厢根据加工艺不同，可分为硬质聚氨酯注入发泡式和“三明治”板预制粘接式两种。

（1）硬聚氨酯注入发泡式的工艺流程是：

零部件制作——各片骨架焊接成形——将VIP板安放并固定在主、辅骨架之间——铆接内外蒙皮——注入聚氨酯发泡材料形成隔热层——各片拼装成车厢——拼缝注入发泡材料并涂上密封胶——安装厢内连接件和附件——安装后门及附件。

该工艺流程的特点是，在结构上，关键在于处理好各片之间的拼接、拼缝的密封和“断热桥”的布置。

在工艺上，首先要保证硬聚氨酯与VIP板、内外蒙皮和骨架之间粘接可靠；其次，要求聚氨酯泡发均匀；最后，车厢装配后需在拼缝处注入聚氨酯泡沫材料，粘上密封胶带或涂覆密封膏，以增加密封性，减少热传导。

如果车厢各片的边框采用聚氯乙烯塑料型材则可以大大简化装配工艺，该型材既是每片厢板骨架，又是各板之间的连接件，内外蒙皮直接插接到塑料型材上，放到专用压机上再注入发泡剂压制成厢板。

厢体装配时将各板边框塑料型材插接到一起，插接处涂上密封膏，即完成了厢体装配。

这不仅仅简化装配工艺，提高生产效率，还可以降低拼缝产生的漏冷缺陷。

（2）“三明治”板预制粘接式的工艺流程是：

蒙皮下料、清洗，将蒙皮其中一个表面打磨粗糙，清除表面尘物，喷涂底漆——放入形状类似无盖矩形盒模具内，喷漆表面朝上——喷涂胶粘液——放置块状聚氨酯与VIP板复合板，块与块对接处涂胶粘液——复合板上喷涂粘液——放置上蒙皮，注意将处理过的蒙皮表面朝向胶粘液——真空加压——消除压力、固化，上述工艺是各片板的成型工艺，整车厢的装配工艺同聚氨酯注入发泡式工艺相同，即各片拼装成车厢——拼缝注入发泡材料并涂上密封胶——安装厢内连接件和附件——安装后门及附件。

该工艺流程的特点是，制作中无需整体注入发泡式所要求的大型夹具，但是为了提高“三明治”板的强度，须在隔热材料块与块之间增加非金属材料加强筋，另外，VIP板板由于受工艺和设备的限制，通常板材的面积较小，当遇到跨度较大的场合时需要在VIP板板之间采用辅助联结机构。

一些冷藏车、冷藏集装箱的生产企业的实践证明，采用“三明治”板具备的优点有：

①厢体外表平整、光滑，厢体质量轻；②厢体结构简单、工序简便，适合成批和多品种生产；③车厢断热桥设计更为合理；④车厢隔热、密封性能好，热工指标可达国家专业指标的A级标准。

不论车厢是整体结构还是分片拼装的，保持车厢尺寸不变的条件下，使用VIP板则可提升箱壁的保温效果，而且对现行装配工艺改动很小，只需在现行的工艺基础上插入安装固定VIP板的环节即可；也可保持保温效果不变的前提下，使用VIP板来减小保温层的厚度增加车厢的容积，减轻车厢重量，这时装配工艺保持不变，但是零部件的加工尺寸则要做相应的调整。

VIP板在冷藏车车厢上的装配工艺特点各异，但既可单独使用，也可混合使用。

以上VIP板的使用方法不仅在冷藏车车厢，同样适用于其它冷链项目的建设。

目前全球正面临能源危机，节能减排已成为全世界关注的焦点，新能源、新技术和新材料的开发已势在必行。

由于VIP板具有超级绝热保温性能，在制冷保温行业已引起全世界的关注，在国外VIP板已广泛应用到家电、冷链和墙体保温等领域。

在国内食品安全逐渐成为全国人民关注的话题，冷链标准制定已提上议事日程，但由于缺乏行业标准和管理经验以及高昂的能耗成本限制冷链在国内的发展。

从本文论述可以预见，作为新型保温材料的VIP板应用到冷链系统建设中能够大幅度地降低能耗，降低营运成本，在冷链行业的应用前景十分广阔，必将为冷链行业发展做出贡献。

参考文献

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