Inledning
Vakuumisoleringspaneler (VIP) är högpresterande isoleringsmaterial som används i en mängd olika applikationer. De kännetecknas av att de ger utmärkt isolering även med minimal materialtjocklek, vilket gör dem till en idealisk lösning för områden med begränsat utrymme. NETZSCH erbjuder HFM 706 LambdaLarge (se bild 1), ett mätsystem för bestämning av värmeledningsförmågan hos VIP-material.
I den här applikationsnoten diskuteras uppbyggnaden och användningen av VIP-material, utmaningarna med mätningen och de resultat som erhållits med HFM 706 LambdaLarge på referens- och VIP-prover.
Vakuumisoleringens uppbyggnad och funktionssättPaneler
En VIP består av flera nyckelkomponenter som tillsammans garanterar dess enastående isolerande egenskaper. Den utmärkta isoleringsförmågan hos VIP är baserad på kombinationen av vakuum och det specifika kärnmaterialet. Kärnmaterialet utgör VIP-skivans bärande struktur och består vanligtvis av trycktåliga, porösa material som t.ex. kiseldioxid, glasfibrer eller PU-skum. Detta material minskar värmeledningen inuti panelen. Kärnmaterialet förseglas i ett lufttätt hölje under vakuum. Genom att avlägsna luftmolekylerna elimineras praktiskt taget all värmeöverföring genom konvektion.
En barriärfilm i flera lager, vanligtvis bestående av metall- och polymerskikt, säkerställer vakuumförseglingen. Denna film skyddar vakuumet och förhindrar att luft eller fukt tränger in. Barriärfilmen reflekterar också infraröd strålning och begränsar därmed värmeöverföringen genom strålning. Ytterligare skyddsskikt av plast eller aluminium gör VIP-produkterna motståndskraftiga mot mekaniska skador. Tack vare dessa egenskaper erbjuder VIPs upp till tio gånger högre isoleringseffektivitet än konventionella isoleringsmaterial med samma tjocklek.
Tillämpning av VIP
VIP används i många branscher där det krävs högeffektiv isolering i trånga utrymmen. De används i väggar, tak och golv, särskilt i passivhus eller renoveringsprojekt, för att uppnå höga isoleringsvärden utan behov av tjocka material.
I kylar och frysar bidrar VIP till att minska energiförbrukningen och öka lagringskapaciteten. De används för att isolera behållare och förpackningar som transporterar temperaturkänsliga varor som läkemedel och livsmedel. På grund av sin höga effektivitet och låga vikt används VIP också inom flyg- och rymdteknik.
VIP används i elfordon för att förbättra batteriernas termiska stabilitet och förbättra klimatkontrollen i kupén.
Mätning av värmeledningsförmågan hos VIP-material
Ett materials Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga (λ-värde) är en avgörande faktor för att utvärdera dess termiska prestanda. Men på grund av VIPs unika struktur och funktionsprincip är traditionella mätmetoder ofta inte direkt tillämpliga. Därför har värmeflödesmätartekniken (HFM) blivit den etablerade metoden för att mäta värmeledningsförmågan hos VIP.
Utmaningar vid mätning
Med tiden kan barriärfilmen släppa igenom gas, vilket skulle försvaga vakuumet och öka värmeledningsförmågan. Därför måste långtidsmätningar utföras. Det är dock inte säkert att resultaten från mätningarna av värmeledningsförmågan är reproducerbara.
De termiska egenskaperna hos kanterna på en VIP kan skilja sig från dem hos huvudytan, vilket påverkar mätnoggrannheten. Även den minsta oregelbundenhet i kärnmaterialet eller barriärfilmen kan förvränga mätningen.
På grund av sina speciella isolerande egenskaper ligger VIP i det lägre intervallet utanför detektionsgränsen för många mätsystem. Detta ställer särskilda krav på känslighet och systemstabilitet.
VIP-prover kan vanligtvis inte skäras till för att passa in i mätinstrumentet. Därför är det nödvändigt att kunna utföra mätningar på originalprovet.
HFM 706 LambdaLarge
Denna nya elektronik och firmware, som redan har introducerats i Eco-Line, ger betydande fördelar när det gäller mäthastighet och noggrannhet vid mätning av VIP-material. Modellen HFM 706 LambdaLarge har också försetts med en gångjärnsförsedd bakdörr. Tester utfördes på referens- och VIP-prover.
Med den bakre luckan öppen är det nu möjligt att undersöka inte bara åldring utan även effekterna av kantförluster och inhomogeniteter i icke kvadratiska prover, särskilt med VIP-prover. För detta ändamål kan den främre och/eller bakre dörren lämnas öppen under mätningen. Jämförande mätningar på referensprover har visat att det inte finns några ytterligare mätfel på grund av öppna dörrar i området runt rumstemperatur.
Figurerna 2 och 3 visar avvikelserna från litteraturvärdena för mätningar på referensprovet NIST SRM 1450d med framdörren stängd eller öppen (referensmätning med stängd dörr i båda fallen). I båda fallen är den maximala avvikelsen från litteraturvärdet mindre än 1% mellan 10°C och 60°C.
När både fram- och bakdörrarna är öppna är avvikelsen också mindre än 1% (se bild 3).
Inverkan av öppna dörrar på mätosäkerheten testades också med hjälp av "långa" EPS-prover av olika tjocklek med en längd på 1200 mm och en bredd på 600 mm. Eftersom det rör sig om homogena referensprover bör det uppmätta värdet vara oberoende av mätpositionen längs provets längdaxel.
Figur 4 visar avvikelserna från referensvärdet mellan 10°C och 30°C för EPS-prover med en tjocklek på 40 mm. Avvikelserna är mindre än 2%, med något högre värden observerade i provets främre område. Figur 4 visar dessutom avvikelserna för EPS med en tjocklek på 30 mm vid tre olika positioner vid 10°C. Även här syns något högre avvikelser vid de främre och bakre mätpositionerna jämfört med provets mitt, med en avvikelse på ca 0,5%. En avvikelse på ca 0,8% uppmättes för de främre och bakre positionerna.
Mätningar på VIPs är också okomplicerade med HFM 706 LambdaLarge . Stabila mätsignaler, känslig sensorteknik och lågbrusiga signaler är förutsättningar för att uppnå hög mätnoggrannhet och repeterbarhet. Figur 5 visar mätresultaten för ett extra långt VIP-prov.
När medeltemperaturen i VIP-provet ökar från 10°C till 40°C ökar dess Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga med ca 12%, från 0,00457 W/(m-K) till 0,00514 W/(m-K). Följaktligen försämras VIP:s isolerande effekt med upp till 12% om den yttre temperaturen på en byggnadsfasad stiger från under 10°C till över 30°C, till exempel. Denna information är viktig för tillverkare och användare av VIP och är betydelsefull för produktutveckling och kvalitetskontroll.
Figur 5 visar dessutom den utmärkta repeterbarheten hos mätningarna och den höga upplösningen hos resultaten. Tre individuella mätningar gjordes vid varje temperatur och den maximala avvikelsen mellan de individuella värdena var mindre än 1%. Värdena skiljer sig endast åt med fem decimaler (0,00471, 0,00472 och
0.00474 W/(m-K) vid 20°C), och den förväntade exponentiella trenden i Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga med temperaturen är också tydligt synlig. Detta visar på den höga upplösningen hos HFM 706 LambdaLarge och den utmärkta repeterbarheten hos VIP-mätningarna. Även de minsta förändringarna i VIP, som t.ex. strukturella förändringar orsakade av åldrande eller vakuumförlust genom mikrosprickor i barriärfilmen, kan snabbt och tillförlitligt detekteras när som helst.
Sammanfattning
Vakuumisoleringspaneler är en banbrytande teknik för tillämpningar som kräver hög isoleringseffektivitet. Trots utmaningar vad gäller kostnader och hållbarhet erbjuder VIP betydande fördelar vad gäller energieffektivitet och utrymmesbesparingar. I takt med att tekniken utvecklas och efterfrågan ökar förväntas VIP spela en allt viktigare roll inom olika industriella områden. NETZSCH erbjuder HFM 706 LambdaLarge , ett tillförlitligt system för mätning av värmeledningsförmågan hos VIP-material. Effektiva åtgärder i instrumentets teknik och design övervinner de utmaningar som provets egenskaper innebär under mätningen.