惰性氣體在中空玻璃中的應(yīng)用分析

    一、引　言

    氣體的定義

    氣體是一種沒有確切體積或形狀的物質(zhì)，具有自由運(yùn)動(dòng)可填充任何空間的特點(diǎn)。

    二、中空玻璃的產(chǎn)生

    人們較初將兩片玻璃合起密封時(shí)，目的并不是為了節(jié)能，而是為了避免清洗兩片玻璃內(nèi)側(cè)。兩片密封合成的玻璃的熱性能與傳統(tǒng)的兩片玻璃(一片玻璃另一片為防風(fēng)暴)的熱性能是相同的。但是，將兩片玻璃密封合成卻帶來(lái)了新的問(wèn)題，即兩片玻璃之間出現(xiàn)的水氣產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象。為除去密封在空氣腔內(nèi)的水氣，人們使用干燥劑，并改進(jìn)密封膠的性能防止水氣進(jìn)入干燥的空氣腔內(nèi)。

    圖1表示單片玻璃熱阻值為1，圖2表示雙片普通中空玻璃白玻空氣腔內(nèi)為空氣。 密封性能的改善將非常少量的水氣分子排在外，也為在密封的空氣腔內(nèi)使用除空氣外的其他氣體提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。美國(guó)專利2756467將干燥的氮?dú)庾⑷氩ＡУ目諝鈱觾?nèi)。氮?dú)庹伎諝獬煞莸?0％，因此其熱效能并沒有改變。美國(guó)專利3683974將氟化碳?xì)怏w注入空氣層內(nèi)。與空氣相比，氟化碳雖然具有較好的保溫性能，但是其化學(xué)性質(zhì)在陽(yáng)光下不穩(wěn)定。玻璃層內(nèi)形成花斑。人們也嘗試使用了二氧化碳。但二氧化碳呈酸性，與中空玻璃間隔條和玻璃內(nèi)側(cè)的鍍鏌起化學(xué)反應(yīng)。

    三、惰性氣體的種類

    金玻公司較常用于中空玻璃的惰性氣體有氬氣、氪氣和氙氣。它們共同的特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、不活潑并比空氣導(dǎo)熱小的特點(diǎn)。這三種惰 性氣體中，氬氣較豐富，約占我們呼吸的空氣的1％，因此應(yīng)用起來(lái)較經(jīng)濟(jì)。圖3給出貴重氣體的一系列性質(zhì)，以及它們?cè)谠刂芷诒碇械奈恢枚栊詺怏w位于元素周期表中的第8組。惰性氣體從其化學(xué)結(jié)構(gòu)上看不與任何元素結(jié)合。除氦氣有兩個(gè)電子外，其他惰性氣體都帶有8個(gè)電子(見圖4)。

    因?yàn)橹锌詹ＡУ牟糠直厥强諝鈱觾?nèi)的氣體起作用，因此增加空氣層的厚度可以提高整窗的熱阻值。例如，同樣是中空玻璃，1/2英寸的空氣層的熱阻值比1/4英寸的熱阻值要高。但是，提高空氣層的厚度的效果卻是有一定限度的。超越一定的厚度，兩片玻璃間的空氣對(duì)流就要增加，靠近內(nèi)片玻璃的熱能通過(guò)空氣流動(dòng)傳到外片玻璃。這種情況下進(jìn)一步提高空氣層的厚度并不會(huì)導(dǎo)致熱阻值的增加。

    四、熱阻值的增減

    一般來(lái)說(shuō)，對(duì)普通白玻內(nèi)含空氣的中空玻璃來(lái)說(shuō)，中空玻璃空氣層的較佳距離為12－18。當(dāng)空氣層小于12，熱傳導(dǎo)增加迅速，減少熱阻。當(dāng)中空窗的空氣層大于18，空氣層內(nèi)產(chǎn)生熱對(duì)流，其節(jié)能效果略有下降。在空氣層從31起空氣層內(nèi)的熱阻值內(nèi)的熱阻值又繼續(xù)增加直到空氣層為80這一點(diǎn)，這與在空氣層為12時(shí)的熱阻值的情況相類似(見圖5)。

    氣體對(duì)流成為熱傳遞的主要因素時(shí)，中空玻璃空氣層的確切厚度取決于中空玻璃的高度，使用的惰性氣體，以及室內(nèi)外的溫差。

    長(zhǎng)波輻射通過(guò)白玻十分容易。50％的能源穿透白玻是輻射的結(jié)果。25％的能源損失是熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致。如果不能解決由熱輻射帶來(lái)的大量熱損失，即使往中空玻璃內(nèi)充惰性氣體效果也不會(huì)很明顯的。六氟化硫(SF6)是人工合成的氣體，研究結(jié)果顯示，六氟化硫雖然具有一定的吸收或捕捉長(zhǎng)波輻射的能力，但改善的效果是十分有限的。向中空玻璃內(nèi)充惰性氣體得以繼續(xù)得益于LOW－E玻璃的出現(xiàn)及在中空玻璃方面的應(yīng)用。LOW－E玻璃的鍍鏌有效地阻擋住了輻射熱傳遞。由于輻射傳導(dǎo)得到了控制，氬氣被用來(lái)減少熱傳導(dǎo)損失(見圖6)。

    表1列出使用不同組合玻璃和氣體的熱阻值。

    從表1可見：
    1.白玻與空氣組合的中空玻璃的熱阻值是普通單玻熱阻值的2倍；
    2.白玻與氬氣組合的中空玻璃的熱阻值較內(nèi)含空氣的中空玻璃的熱阻值提高10％，即節(jié)能10％；
    3.如果中空玻璃要素的配置該為L(zhǎng)OW－E玻璃和空氣，這時(shí)熱阻值比上述兩種情況分別提高65％和50％；
    4.如果中空玻璃的要素進(jìn)一步該為L(zhǎng)OW－E玻璃和氬氣的組合，則中空玻璃的熱效上述三種情況分別提高100％、82％和21％。

    表1 中空玻璃的阻值 空氣層 熱阻值

    1.氬氣、氪氣和氙的傳導(dǎo)性較空氣低。
    2.氪氣和氙氣的熱效能與氬氣相比分別高1/3和1/2；換句話說(shuō)當(dāng)它們的熱效能大致相同條件下，氪氣和氙氣的空氣層卻只是氬氣空氣層間隔的2/3到1/2。
    3.氪氣可用來(lái)制作空氣層較小熱性能高的中空玻璃。通常使用氬氣較多的情況是用來(lái)制作三層中空玻璃，中將一層為隔膜(圖7)。

    4.自然狀態(tài)下的氙氣非常非常少，提純價(jià)格高，因而很少用于中空玻璃的制作。
    5.六氟化硫、二氧化炭和氟立昂已從市場(chǎng)消失。二氧化炭具有酸性，六氟化硫和氟立昂在太陽(yáng)光下不穩(wěn)定揮發(fā)破壞臭氧層。

    較初這些效率高能中空玻璃的賣點(diǎn)是節(jié)能，但人們很快就發(fā)現(xiàn)在接近玻璃的附近人們感覺比較舒服，這是由于玻璃表面的溫度較高所致。1970年，中空玻璃僅占市場(chǎng)的14％，但到了1996年，中空玻璃上升為90％并仍在增長(zhǎng)。在不到15年的期間內(nèi)，LOW－E玻璃已占市場(chǎng) 的2/3，據(jù)估測(cè)到 2010年，LOW－E玻璃將上升到市場(chǎng)的88％。向中空玻璃內(nèi)充氬氣伴隨著 LOW－E玻璃的使用而增加。因?yàn)槌錃鍤夤?jié)能效果顯著、成本低廉、并簡(jiǎn)單易行，所以一般來(lái)說(shuō)，使用LOW－E玻璃的中空玻璃廠家通常也使用氬氣。許多廠家提供兩種產(chǎn)品，一種為白玻的中空玻璃，另一種為L(zhǎng)OW－E玻璃內(nèi)充惰性氣體的中空玻璃。

    圖8中空玻璃表面溫度 六、充氣的方法
    通常使用的惰性氣體的充氣方法有三種：
    1.將中空玻璃放在一個(gè)密封充氣的環(huán)境里，然后向內(nèi)加壓充氣。
    2.將中空玻璃放到一個(gè)密封倉(cāng)內(nèi)，在將倉(cāng)內(nèi)和中空玻璃內(nèi)的氣體排出，用惰性氣體代替中空玻璃內(nèi)原有的空氣。
    3.在中空玻璃一側(cè)插入一個(gè)和幾個(gè)細(xì)管，然后使空氣層內(nèi)的空氣與惰性氣體交換。

    因?yàn)槲覀兛床灰娍諝夂蜌鍤�，理解向中空玻璃充惰性氣體可能是比較困難的。但充氣的概念其實(shí)是非常簡(jiǎn)單不過(guò)的。氬氣較空氣重40％左右。在充氣的開始一段時(shí)間里，空氣事實(shí)上浮在氬氣上方。如果小心地向中空玻璃內(nèi)充氬氣，空氣就會(huì)浮在氬氣上方，關(guān)鍵是向內(nèi)充氣時(shí)一定要小心。如果向內(nèi)充氣動(dòng)作很大，那么空氣與氬氣之間的隔層就會(huì)被打亂。那么，就需要向中空玻璃窗內(nèi)充大量的氬氣來(lái)稀釋空氣與氬氣的混合比，直到中空玻璃內(nèi)大部分為氬氣為止。用一個(gè)敏感的測(cè)量?jī)x在氬氣出口處可測(cè)量出氬氣的濃度何時(shí)達(dá)到95％。

    一旦中空窗內(nèi)充滿氣體并密封后，微量的惰性氣體會(huì)從中空玻璃窗的上端和四周慢慢地滲出。隨著中空玻璃內(nèi)氣體的不斷稀釋，中空玻璃內(nèi)的惰性氣體上下混合，濃度趨于一致。如果中空窗內(nèi)含90％的氬氣和10％的空氣，則中空玻璃的空氣層內(nèi)的惰性氣體濃度各處相同。

    七、標(biāo)　準(zhǔn)

    行業(yè)內(nèi)對(duì)中空玻璃內(nèi)充多少惰性氣體沒有具體規(guī)定，但一般來(lái)說(shuō)，不能少于80％。但大多數(shù)廠家充90－95％。LOW－E玻璃與空氣配置的中空玻璃的節(jié)能效果也不錯(cuò)。一般來(lái)說(shuō)，充惰性氣體可提高中空窗熱效能15％。例如，如果內(nèi)含空氣的中空玻璃中點(diǎn)的熱阻值為3.5,則充惰性氣體后中空玻璃中點(diǎn)的熱阻值可提高到4.0。隨著惰性氣體的慢慢泄漏掉，玻璃中點(diǎn)的熱阻值會(huì)從4.0線性地降回到3.5。

    八、結(jié)　論

    氬氣提高中空窗的保溫能力。因?yàn)闅鍤鈱?dǎo)熱不像空氣那么容易，冬天可將熱能保留在室內(nèi)夏天將熱阻擋在室外。窗戶破裂或其他原因?qū)е職鍤庑孤┒疾粫?huì)對(duì)人和建筑物有所損害。氬氣在自然狀態(tài)下存在，我們每時(shí)每刻呼吸的空氣中就含有氬氣，是一種無(wú)害的惰性氣體。

    中空玻璃對(duì)氬氣的保有能力決定于中空玻璃密封系統(tǒng)的質(zhì)量。如果密封失敗，氬氣就會(huì)跑掉。許多試驗(yàn)顯示中空窗的年泄漏率小于1％。如果中空窗的使用壽命為20年，那么20年后，中空窗內(nèi)的氬氣仍有較初充氣水平的80％。

    盡管節(jié)能是重要的，但人們從充惰性氣體的金玻中空玻璃中得到的非常大好處在于它提高了窗戶內(nèi)側(cè)的溫度從而提高了室內(nèi)的舒適程度。提高室內(nèi)玻璃溫度清理或非常大限度地減少玻璃的冷凝問(wèn)題。人們?cè)诮咏^溫暖的玻璃表面時(shí)會(huì)感到更舒適。我們向中空玻璃內(nèi)充惰性氣體的原因很簡(jiǎn)單，充惰性氣體的工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，但卻可改善中空玻璃的熱效能。氬氣是使用較多的惰性氣體，成本低并容易獲得。氪氣盡管昂貴些，但人們?cè)谀承┯猛痉矫嬉彩褂茫貏e是在窗戶的空氣層要求較小的時(shí)候。