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如何提高中空玻璃的充气浓度和保持能力—王铁华当前位置:首页 > 技术资料

摘要

伴随Low-E玻璃在中空玻璃中的普及应用,中空玻璃的充气也正在呈现上升的趋势。由于中空玻璃充气在我国时间不长,有必要对如何提高充气水平和惰性气体保持能力进行探讨,并普及相应知识,以期对充气中空玻璃在我国健康快速发展有所帮助。


关键词: 惰性气体初始浓度、保持能力、氩气、高压辉光放电无损检测、热线性膨胀系数


引言

笔者曾在2007年《中空玻璃充气的若干基本问题》一文中就惰性气体的物理属性、中空玻璃充气的热工绩效(热工原理)、充气的方法及比较、充气中空玻璃中的惰性气体向外逸出的原理、中空玻璃充气的检测内容(包括初始浓度和惰性气体保持能力)及检测方法,等等,做了比较详尽的介绍。一年来,随着Low-E玻璃在中空玻璃中应用的越来越普及,中空玻璃充惰性气体也日益引起人们的重视。与普通中空玻璃甚至和Low-E镀膜中空玻璃在我国使用的历史相比,充气的使用相对来说要短得多,在实践中有许多方面还有待于进一步探讨和完善,譬如说,如何提高中空玻璃的充气浓度和保持能力等等。本文旨在目前我国中空玻璃充气中遇到的一些共性问题提出自己的看法,意在抛砖引玉,推动我国中空玻璃充气的健康快速发展。


本文拟叙述的问题包括以下几个方面:

l 中空玻璃充气的充分必要条件;

l 中空玻璃充气时应注意的几个问题;

l 如和提高充气中空玻璃的保持能力?

l 其他


兹分别论述如下。


1.中空玻璃充气的充分必要条件 图1

一般来说,中空玻璃的充气可以分以下几种情况:(1)两片白玻充气;(2)一片白玻和一片Low-E玻璃充气,其中Low-E又可进一步划分为在线和离线两类,离线又继续可细分为单银、双银和三银等等;(3)两片Low-E玻璃中空充气。实践表明,这几种不同情况下,对单银镀膜玻璃进行惰性气体充气,性价比最好。图1中给出三条不同中空玻璃配置的U值曲线,分别为双白充气、单银Low-E镀膜充气和双Low-E银镀膜充气。纵轴表示U值,横轴表示氩气浓度。


从该图1可见:

•白玻充气与不充气的比较

– U值: 2.7 W/M2.K (90%); 2.85W/M2.K (0.0%)

•单银充气与单银不充气、白玻充气比较

–U值: 1.6 W/M2.K (90%); 2.0 W/M2.K (0.0%); 2.85 W/M2.K (90%)

•双银充气与双银不充气、单银充气比较

•U值: 1.3 W/M2.K (90%); 1.65 W/M2.K (0.0%); 1.6 W/M2.K (90%)


可见,白玻情况下充气效果不佳,因此,不建议充气;单银充气的效果最好,比双银中空玻璃充气的U值改进大,而且经济效果好。


单银充气的效果最好是一种表象,有必要对隐藏其后面的深层原因进行剖析。一般认为,普通中空玻璃的传热中,热辐射占50%、热传导和热对流各占25%。显然,降低热辐射是解决传热首先要解决的问题,否则,充气带来的改善只占2-5%, 意义不大。而Low-E玻璃的应用,使充气变的有意义。















图2                                                  图3



图2和图3分别表示白玻中空玻璃和Low-E中空玻璃,二者皆不充惰性气体。与普通白玻中空玻璃相比,由于Low-E玻璃的使用,直接结果是室内的远红外被反射回去,导致了内片玻璃表面温度的提高,由450F(7.20C)到570F(13.90C),使人们感到舒适。同时,伴随内片玻璃的升高,外片玻璃的温度却向相反方向降低,即70F(-13.20C)到40F(-15.50C),导致了内外片玻璃之间的温度梯度的增大。见表1。



内片玻璃

表面温度Ti

外片玻璃

表面温度Te

内外片玻璃巴表面温度梯度ΔTie

白玻中空玻璃

7.20C

-13.20C

20.50C

Low-E中空玻璃

13.90C

-15.50C

29.40C

温度梯度ΔT

4.70C

-2.30C

8.90C

表1

Low-E玻璃的应用,导致了内外片玻璃表面温度的温差(温度梯度)增大,进而导致了热传导和热对流提高。此时,使用惰性气体氩气可以减缓中空玻璃空腔内的气体对流和热传导,取得事半功倍的效果。


充分必要条件是数学上、逻辑上的术语之一,是数学上、逻辑上论证命题的一种方法,简称为充要条件,其逻辑表述为‘既能由结论推出条件,又能由条件推出结论’。综上所述,对单银Low-E玻璃进行充气,无论从充气对改善中空玻璃U值的效果还是从经济效益(亦即性价比)上看,效果都是最好的,而且二者互为因果,互为条件。因此,可以不无把握地说, Low-E玻璃是中空玻璃充气的前提,反过来,充气中空玻璃要求必须使用Low-E玻璃,亦即,Low-E玻璃是中空玻璃充气的充分必要条件。


2.中空玻璃充气时应注意的几个问题


概括地说,包括如下几个方面:

•首先检查氩气罐中是否有气

•影响充气浓度的因素

•充气方法,手工还是在线自动充气如气幕式

•充气速度

•玻璃的尺寸

•几何形状

•间隔框宽度

•空腔中是否有隔栅

•定期检测气压和流速表;

•定期检测流量传感器/氧气残余量显示仪表

•矩型玻璃的立放

•间隔框进出气孔的位置

•角件对角线充气


氩气无色无味无毒,判断氩气罐中是否有气,可以通过气压和流速阀来鉴定。如果气罐气压和流速阀显示是空的,没有氩气,则充气的结果肯定是零。实际操作时,应该将空气罐和有气罐应分开储存。


中空玻璃的充气方法主要有自动在线充气和手工充气两大类。一般来说,自动在线充气的效果和速度比手工充气的要好,这方面李赛克的气幕式充气工艺可同时满足充气的浓度、速度、节省氩气和充异型玻璃等目的。

图4

手工操作充气的方法比较多,但一般来说,充气孔在下、吸气(出气)孔在上,实践中,充气和吸气孔通常都在间隔框的一侧,主要原因是,进出气孔的 间隔框通常不灌3A分子筛,以避免分子筛进入空气层内。但国内充气大多都在中空玻璃两个框,一端孔在下为进气孔、另一端孔在上为出(吸)气孔。此外,还有采用在特制充气角件对角线充气和出(吸)气。此外,国内有的企业充气时,将两个孔都位于间隔框的上端,无论从时间还是从耗气量来说,

都较两个气孔在间隔框侧面上下排列都要多许多(一般来说是2-3倍)。见图4。


无论采取何种手工充气方法,当矩形玻璃的高和宽长度不同时,充气时都需要将长的一边作为高,而短边作为宽。见图5。将长边作为高立放充气,可以避免流量传感器或氧气残余量仪表给出误差较大的读数。








图5



图6




图7


此外,为了保证惰性气体的浓度,判断氩气罐中是否有气体,还要定时检查气压阀,及时校准流量传感器和氧气残余量仪器,发现问题及时纠正。


图8

在这方面,可以使用芬兰斯巴来克公司生产的高压辉光放电非破坏惰性气体分析仪来对充气设备上浓度设置进行校准,也可通过对每一片充气中空玻璃的浓度进行测定。


3.如何提高中空玻璃惰性气体的保存能力

3.1 氩气向外泄漏的原因

导致惰性气体从中空玻璃的隔离层向外逸出的主要原因,是分压定律和气体通过密封胶的渗透率差,使得氩气从中空玻璃隔离层向外比逸出的速度比外界的空气向中空玻璃隔离层内渗透的速度快2.4倍!这种由于中空玻璃充气本身带来的氩气向外逸出的趋势,是不以人们的               意志为转移的。我们所能做的是,在提高中空玻璃的密封寿命下工夫,尽可能减少由于人为原因造成的中空玻璃中惰性气体的过多泄漏,提前失效。可以说,当中空玻璃的年氩气泄漏率>1%时,主要是由人为原因造成的,是非正常的。据国外中空玻璃充气的16年实际跟踪结果显示,制作密封性能好的中空玻璃的年泄漏率可低达0.1-0.3%。


3.2 提高中空玻璃惰性气体的保持能力的办法

我们无法消除氩气从中空玻璃向外逸出,但我们同时又知道密封好的充气中空玻璃的氩气年泄漏率小于1%不是不能达到的。那么,如何来减少充气中空玻璃内惰性气体的非正常向外泄漏呢?

概括地说,应该从以下几方面着手,即分子筛、间隔框和密封胶。


3.2.1 分子筛

毋须赘述,充气中空玻璃使用的干燥剂只能使用3A分子筛,可以避免其他分子筛带来的中空玻璃向内挠曲,长期保证中空玻璃的密封性能。


3.2.2 密封胶

充气中空玻璃的密封应该使用双道密封,第一道(亦即主要)密封使用PIB,第二道可使用聚氨酯、聚硫胶抑或是硅酮胶。PIB对充气中空玻璃的密封起至关重要的作用,因此有必要对此展开讨论.


3.2.2.1 PIB涂布

图9

丁基胶涂布应做到均匀、连续、无气泡、无断点(跳胶)。当丁基胶涂布不均匀时如图9所示,PIB涂布虽然连续、无断点(跳胶),但是,在拐角和直线部分,涂布质量发生变化,变得狭窄,亦即水气通道变短,成为惰性气体最泄漏的区间,我们可以将其称为PIB涂布缺陷。当丁基胶涂布存在10%缺陷的情况下,双道密封充气中空玻璃分别出现气体向外泄漏和玻璃向内挠曲分的两种情况。见图10氩气向外泄漏和图11玻璃向内挠曲。









图10











由图10可见,当主要密封即丁基胶涂布出现10%缺陷时,作为双道密封胶中的第二道胶,热融胶表现的最好,其次是聚硫胶和聚氨酯,最差的是硅酮胶。




图11












图11描述的是,PIB涂布存在10%的缺陷条件下,由于氩气向外扩散和空气向内渗透的气体交换速度不一致,导致两片玻璃向内挠曲。与图10所描述的相同,双道密封条件下,第二道密封采用热融胶向内挠曲的最小,其次是聚硫胶,再次是聚氨酯,向内挠曲最大的是硅酮胶。





图12



3.2.2.2 PIB高度与厚度。

影响充气中空玻璃的惰性气体保持能力除了对丁基胶的涂布有所要求之外,丁基胶的涂布高度和厚度影响也是非常大的。图12描述的是丁基胶的高度和厚度。高度指的是在间隔框的肩高方向;厚度指的是位于玻璃与间隔条肩高部位之间的厚度。一般来说,金属间隔条的肩高为4.2mm, 肩高越大,上面所涂布的PIB越多,惰性气体扩散所走的途径就越长。据美国ADCO公司的实验报告,当PIB 宽度由4.2mm增加到 6.1mm时,惰性气体的保持能力提高和水气渗透减小近60%。但是,PIB涂布的厚度却不是越厚越好。一般来说,PIB厚度的理想厚度应控制在0.4-0.5mm之间,如果超过上限,则通过PIB扩散到中空玻璃外面的惰性气体就会增加抑或从外进入空腔内的水气增加,两者都会减少中空玻璃的密封寿命。图13描述的是TNO公司的水汽渗透模型中,三种不同间隔框结构,密封胶的四种不同形式下,水汽渗透变化的情况。分别为:1)基本情况;2)主要密封胶即PIB的高度(水汽通道减少25%;3)第二道胶的通道减少33%;4)将PIB的厚度在间隔条两侧分别增加0.254mm。对TNO模型的分析我们得出以下结论:(1)PIB通道的长短与水汽渗透和(或)氩气逸出成反比,通道越长,水汽渗透和(或)氩气逸出越少,反之亦然。如图中所示:减少25% 提高水汽渗透和(或)氩气逸出 35%;(2)(位于玻璃与间隔条之间的)PIB的最佳厚度为0.4-0.5mm;超过上限以后,其厚度增加与水汽渗透和(或)氩气逸出成正比。间隔条两侧PIB最佳厚度为0.4mm –0.5mm,如增加0.254mm就会导致水汽渗透或氩气泄漏提高65%;(3)第二道密封胶厚度的改变对中空玻璃的水气渗透量没有影响,如图中减少33%.。


3..2.2.3  折弯间隔框连接处的PIB涂布

此外,在使用折弯间隔框的条件下,在间隔框的连接处背面,应做密封处理,如使用PIB,否则,这一处会成为惰性气体泄漏的通道。










图13











3.2.3 间隔框

概括地说,在间隔框选用时应主要注意两点,即尽可能地使热线性膨胀系数接近玻璃和

增加间隔框的肩高。有关间隔框肩高的问题上面已经讨论,这里着重讨论间隔条的热线性膨胀问题。



图14





材料

热线性膨胀系数

在温度20-800C变化下材料的ΔLmm

800C时的材料长度mm

800C条件下玻璃与间隔条的长度差mm

玻璃

9

0.54

1000.54

24

1.44

1001.44

0.90

不锈钢

16

0.96

1000.96

0.42

聚丙烯

150

9

1009.00

8.46

表2 在温度变化条件下,不同材料间隔条与玻璃的长度差


表2给出的是玻璃和其他制作间隔框材料的热线性膨胀系数。在温度从200C提高到800C条件下,不同材料相对玻璃的膨胀长度增加是不同的,铝为0.9mm、不锈钢为0.42mm、聚丙烯为8.46mm。指出这一点是十分重要的,因为当间隔框材料的热线性膨胀系数越接近玻璃的膨胀系数,就越能使间隔条两侧的PIB和玻璃之间的剪切变形越小,不利于水汽渗透和惰性气体扩张,从而有利于提高充气中空玻璃的惰性气体的保持能力。道康宁公司科学家沃尔夫博士认为,在其他条件不变条件下,间隔框热线性膨胀系数越小越有利于提高中空玻璃的密封寿命。通过运用有限元分析,发现当温度从200C提高到600C和降低到-350C时,丁基胶在不锈钢间隔框上的变形要远远小于在铝间隔框上的变形。见表3。


温度

不锈钢

+60℃

+51%

+6%

-30℃

-60%

-4%

表3  丁基胶变形率


美国最大的中空玻璃生产商卡迪诺公司(Cardinal Inc)年生产中空玻璃2400万片,其标准配置是双银充气、不锈钢间隔框、双道密封(硅酮胶为第2道密封)。当整个北美中空玻璃20年密封失效率平均是8%时,其密封失效率仅仅是0.5%。


4.其他


我们业已论述了中空玻璃充气对改善中空玻璃的U值有如此大的帮助,并且我们现已经有相当一部分企业已经使用单银Low-E玻璃,对这部分企业的中空玻璃进行充气的条件已经具备,此外,我们已经知道如何提高充气浓度和中空玻璃的惰性气体的保持能力,接下来,从逻辑思维角度来看,我们有必要探讨充氩气体的经济性问题,最后从经济上释疑充气的可行性。


目前市场上,一个氩气罐的容积为6.5升,价格60-100元/个,均价70元。一个氩气罐可产生的氩气体积大约为10,000升,大约可充200-400平米的中空玻璃(假定空气层为13mm)。单位平方米中空玻璃充气的成本包括:氩气 + 人工 + 耗材 + 充气设备折旧 + 检测设备折旧。


假定:(1)空气间隔层为12mm,(2)氩气0.01元/升(取100元/瓶;(3)达到90-92%浓度,单位平米中空玻璃耗气为容积的2-3倍;(4)2人充气, 月工资2500元, 共计5,000元, 工作日25天/月,(5)日充气600平米;(6)充气设备投资10万元, 当年全部折旧;(7)检测设备10万元,当年全部折旧完。

计算:

单位气体/平米=0.24元;

设备折旧分摊/平米=200,000元 / 180,000片= 1.1元

总成本<2元

如果设备5年折旧, 则单位平米成本小于0.5元


综上所述,Low-E中空玻璃充气不但必要而且是必需,非如此,中空玻璃的U值就尚有很大改善余地;氩气作为自然界中最丰富的气体,容易获得,经济性好,应大力推广使用。

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