惰性氣體在中空玻璃中的應用與質量控制

　　隨著國家節能政策越來越強有力的落實，建筑節能要求也逐步提高。建筑用玻璃也隨之出現向高性能中空玻璃升級換代的發展趨勢，除正在不斷推廣的低輻射鍍膜中空玻璃外，新出現了一種在中間層充入氬氣、氦氣等惰性氣體（詞條“惰性氣體”由行業大百科提供）的充氣中空玻璃。惰性氣體相對于空氣而言，密度大，導熱系數小，故可減慢中間層的熱對流，減少氣體的導熱性，從而降低中空玻璃的傳熱系數，有助于改善中空玻璃的保溫性能和節能效果。

　　中間層充入惰性氣體有利于改善中空玻璃的保溫性能，但充進的惰性氣體種類、氣體濃度、濃度保持率等對保溫性能的改善程度都有影響。本文從不同惰性氣體的性能比較、氣體濃度與保溫性能的關系以及惰性氣體濃度和濃度保持率的測試等方面，對惰性氣體在中空玻璃中的應用與質量控制進行研究。

　　1 惰性氣體的應用

　　惰性氣體包括氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)，惰性氣體均為無色、無臭、無毒、氣態的單原子分子，處于周期表中零族，外層電子已達飽和，活性極小。

　　1.1不同種類氣體性能比較

　　用于中空玻璃的惰性氣體有氬氣、氪氣和氙氣。它們共同的特點是性能穩定、不活潑，并比空氣密度大、導熱小。這 3 種惰性氣體在氣溫 0℃、壓強 101.325 kPa 時密度分別是 1.78 kg/m3、2.86 kg/m3 和 4.56 kg/m3 (同樣條件下空氣密度是 1.29kg/m3)，導熱系數分別為 0.0163 W/(m·K)、0.0087 W/(m·K)、0.0052 W/(m·K)(同樣條件下空氣導熱系數為 0.0241 W/(m·K)。

　　3 種氣體中，氬氣在空氣中含量最豐富。按體積分數計算，氬氣約占空氣的 0.93%，是應用最廣泛也是市場上最便宜的惰性氣體之一。氬氣填充的中空玻璃具有耐紫外線的作用，同時不影響室內光線。氪氣在空氣中含量為 1.14×10-4%，其穩定性和反應性和氬氣類似，熱效能相比氬氣高1/3，但是價格較昂貴。氙氣是空氣中 5 種稀有氣體里含量最少的一種，含量僅有 0.09×10-4%。氙氣的穩定性和反應性也與氬氣類似，熱效能比氬氣高 1/2，但自然狀態下的氙氣非常稀少，提純價格高。

　　3 種氣體相對于空氣的物理性能比較，以及在相同充氣含量情況下對同種配置的中空玻璃傳熱系數的影響，見表1。

　　由以上對比可得出以下結論：

　　(1)氬氣、氪氣和氙氣的密度比空氣大，導熱性比空氣低，有利于大幅改善中空玻璃的傳熱性能。

　　(2)氪氣和氙氣比氬氣分別高 1/3 和 1/2 的熱效能，即在相同充氣含量情況下要達到相同傳熱系數要求，充氪氣和氙氣的中空玻璃中間層可僅為充氬氣的中空玻璃中間層厚度的 2/3 到 1/2。

　　(3)中空玻璃中間層充氬氣情況下，傳熱系數比中間層為空氣的情況下降 5.96%，充氪氣和氙氣的效果則更加明顯，傳熱系數比中間層為空氣的情況下降 7.99% 和9.26%。

　　以上 3 種惰性氣體都具有明顯改善中空玻璃傳熱性能的作用，其中氬氣在空氣中含量較高，充氣成本較低，以性價比高的優勢成為目前中空玻璃充氣應用最為廣泛的氣體;氪氣提取成本較氬氣相對昂貴，未在建筑玻璃行業廣泛應用，僅在中空玻璃中間層厚度要求較小但傳熱性能要求又高的情況下使用;氙氣在自然狀態下的含量非常稀少，提純價格很高，因而即便對中空玻璃傳熱性能的幫助

　　比氬氣和氪氣都好，但很少用于中空玻璃的制作。

　　1.2 氣體濃度與保溫性能的關系

　　由以上討論可知，氬氣以其突出的性價比優勢成為中空玻璃充氣應用最為廣泛的氣體。以下將通過 3 種不同配置的中空玻璃，對不同含量氬氣充氣的情況下傳熱系數的比較，討論充氣氣體濃度對中空玻璃性能的影響。不同配置的中空玻璃分別為(4 mm 白玻+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)、(4 mm 在線 Low-E+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)以及(4 mm 離線Low-E+12 mm 氣體層+4 mm 白玻)。每種玻璃分別在充氬氣濃度從 0～100% 、每隔 5% 遞增的情況下計算傳熱系數，所得結果見圖 1。

　　由以上結果可得：

　　(1)氬氣濃度越高，中空玻璃的傳熱系數越小，保溫性能越好。

　　(2)相同氬氣濃度下，充氣對鍍膜玻璃傳熱系數的改善比普通中空玻璃更明顯。

　　目前，建筑玻璃行業內，綜合考慮充氣改善中空玻璃保溫性能的效果以及充氣中空玻璃的使用壽命，一般認為充氣中空玻璃的初始惰性氣體含量應不小于 90%。

　　2 充氣中空玻璃的質量評價方法

　　中空玻璃中間層充入惰性氣體有助于改善節能效果，惰性氣體濃度越高，改善的效果越好。充氣中空玻璃是否充入惰性氣體，氣體濃度有多少，氣體保持率為多少，是評價充氣中空玻璃質量好壞的關鍵。惰性氣體無色無味，如何通過相關檢測方法確定充氣中空玻璃的質量是所需研究的重點。目前，對惰性氣體分析檢測有 3 種方法：高壓電火花法、氧氣順磁性法以及氣相色譜法。

　　2.1高壓電火花法

　　2.1.1檢測原理

　　高壓電火花法是通過設備產生的高壓火花穿透玻璃與中間氣體層，激活惰性氣體分子的等離子體發射出輻射波，通過發射光譜學，儀器收集其中的光子進行分析。由此測定的光譜與儀器內部標準的數據進行比較而確定玻璃內部的惰性氣體濃度。

　　2.1.2方法應用情況

　　此方法為無損檢測方法，可對中空玻璃內氬氣和氪氣的含量進行重復檢測，不會對中空玻璃造成絲毫的破壞，同樣不會影響玻璃的后續使用，適用于實驗室、生產線及工程現場檢測。目前設備主要為芬蘭斯巴萊克有限公司的Gasglass Handhel型儀器。該儀器便于攜帶、操作簡單、快捷，見圖 2。

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