中空玻璃惰性气体分析及应用

中空玻璃惰性气体分析及应用

一、引言

气体的定义。气体是一种没有确切体积或形状的物质，具有自由运动可填充任何空间的特点。

二、中空玻璃的产生

人们最初将两片玻璃合起密封时，目的并不是为了节能，而是为了避免清洗两片玻璃内侧。两片密封合成的玻璃的热性能与传统的两片玻璃(一片玻璃另一片为防风暴)的热性能是相同的。但是，将两片玻璃密封合成却带来了新的问题，即两片玻璃之间出现的水气产生冷凝现象。为除去密封在空气腔内的水气，人们使用干燥剂，并改进密封胶的性能防止水气进入干燥的空气腔内。

密封性能的改善将非常少量的水气分子排在外，也为在密封的空气腔内使用除空气外的其他气体提供了一个机会。美国专利2756467将干燥的氮气注入玻璃的空气层内。氮气占空气成份的80％，因此其热效能并没有改变。美国专利3683974将氟化碳气体注入空气层内。与空气相比，氟化碳虽然具有较好的保温性能，但是其化学性质在阳光下不稳定。玻璃层内形成花斑。人们也尝试使用了二氧化碳。但二氧化碳呈酸性，与中空玻璃间隔条和玻璃内侧的镀镆起化学反应。

三、惰性气体的种类

最常用于中空玻璃的惰性气体有氩气、氪气和氙气。它们共同的特点是性能稳定、不活泼并比空气导热小的特点。这三种惰性气体中，氩气最丰富，约占我们呼吸的空气的1％，因此应用起来最经济。给出贵重气体的一系列性质，以及它们在元素周期表中的位置惰性气体位于元素周期表中的第8组。惰性气体从其化学结构上看不与任何元素结合。除氦气有两个电子外，其他惰性气体都带有8个电子。

因为中空玻璃的保温是空气层内的气体起作用，因此增加空气层的厚度可以提高整窗的热阻值。例如，同样是中空玻璃，1/2英寸的空气层的热阻值比1/4英寸的热阻值要高。但是，提高空气层的厚度的效果却是有一定限度的。超越一定的厚度，两片玻璃间的空气对流就要增加，靠近内片玻璃的热能通过空气流动传到外片玻璃。这种情况下进一步提高空气层的厚度并不会导致热阻值的增加。四、热阻值的增减

一般来说，对普通白玻内含空气的中空玻璃来说，中空玻璃空气层的最佳距离为12－18mm。当空气层小于12mm，热传导增加迅速，减少热阻。当中空窗的空气层大于18mm，空气层内产生热对流，其节能效果略有下降。在空气层从31mm 起空气层内的热阻值内的热阻值又继续增加直到空气层为80mm这一点，这与在空气层为12mm时的热阻值的情况相类似。

气体对流成为热传递的主要因素时，中空玻璃空气层的确切厚度取决于中空玻璃的高度，使用的惰性气体，以及室内外的温差。

长波辐射通过白玻十分容易。50％的能源穿透白玻是辐射的结果。25％的能源损失是热传导所导致。如果不能解决由热辐射带来的大量热损失，即使往中空玻璃内充惰性气体效果也不会很明显的。六氟化硫(SF6)是人工合成的气体，研究结果显示，六氟化硫虽然具有一定的吸收或捕捉长波辐射的能力，但改善的效果是十分有限的。向中空玻璃内充惰性气体得以继续得益于LOW－E玻璃的出现及在中空玻璃方面的应用。LOW－E玻璃的镀镆有效地阻挡住了辐射热传递。由于辐射传导得到了控制，氩气被用来减少热传导损失。

表1列出使用不同组合玻璃和气体的热阻值。

从表1可见：

1.白玻与空气组合的中空玻璃的热阻值是普通单玻热阻值的2倍；

2.白玻与氩气组合的中空玻璃的热阻值较内含空气的中空玻璃的热阻值提高10％，即节能10％；

3.如果中空玻璃要素的配置该为LOW－E玻璃和空气，这时热阻值比上述两种情况分别提高65％和50％；

4.如果中空玻璃的要素进一步该为LOW－E玻璃和氩气的组合，则中空玻璃的热效上述三种情况分别提高100％、82％和21％。

五、充惰性气体起作用的原因

1.氩气、氪气和氙的传导性较空气低。

2.氪气和氙气的热效能与氩气相比分别高1/3和1/2；换句话说当它们的热效能大致相同条件下，氪气和氙气的空气层却只是氩气空气层间隔的2/3到1/2。

3.氪气可用来制作空气层较小热性能高的中空玻璃。通常使用氩气最多的情况是用来制作三层中空玻璃，中将一层为隔膜。

4.自然状态下的氙气非常稀少，提纯价格高，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从市场消失。二氧化炭具有酸性，六氟化硫和氟立昂在太阳光下不稳定挥发破坏臭氧层。

最初这些高效能中空玻璃的卖点是节能，但人们很快就发现在接近玻璃的附近人们感觉比较舒服，这是由于玻璃表面的温度较高所致。1970年，中空玻璃仅占市场的14％，但到了1996年，中空玻璃上升为90％并仍在增长。在不到15年的期间内，LOW－E玻璃已占市场的2/3，据估测到 2000年，LOW－E玻璃将上升到市场的88％。向中空玻璃内充氩气伴随着 LOW－E玻璃的使用而增加。因为充氩气节能效果显著、成本低廉、并简单易行，所以一般来说，使用LOW－E玻璃的中空玻璃厂家通常也使用氩气。许多厂家提供两种产品，一种为白玻的中空玻璃，另一种为LOW－E玻璃内充惰性气体的中空玻璃。

六、充气的方法

通常使用的惰性气体的充气方法有三种：

1.将中空玻璃放在一个密封充气的环境里，然后向内加压充气。

2.将中空玻璃放到一个密封仓内，在将仓内和中空玻璃内的气体排出，用惰性气体代替中空玻璃内原有的空气。

3.在中空玻璃一侧插入一个和几个细管，然后使空气层内的空气与惰性气体交换。

因为我们看不见空气和氩气，理解向中空玻璃充惰性气体可能是比较困难的。但充气的概念其实是非常简单不过的。氩气较空气重40％左右。在充气的开始一段时间里，空气事实上浮在氩气上方。如果小心地向中空玻璃内充氩气，

空气就会浮在氩气上方，关键是向内充气时一定要小心。如果向内充气动作很大，那么空气与氩气之间的隔层就会被打乱。那么，就需要向中空玻璃窗内充大量的氩气来稀释空气与氩气的混合比，直到中空玻璃内大部分为氩气为止。用一个敏感的测量仪在氩气出口处可测量出氩气的浓度何时达到95％。

一旦中空窗内充满气体并密封后，微量的惰性气体会从中空玻璃窗的上端和四周慢慢地渗出。随着中空玻璃内气体的不断稀释，中空玻璃内的惰性气体上下混合，浓度趋于一致。如果中空窗内含90％的氩气和10％的空气，则中空玻璃的空气层内的惰性气体浓度各处相同。

七、标准

行业内对中空玻璃内充多少惰性气体没有具体规定，但一般来说，不能少于80％。但大多数厂家充90－95％。LOW－E玻璃与空气配置的中空玻璃的节能效果也不错。一般来说，充惰性气体可提高中空窗热效能15％。例如，如果内含空气的中空玻璃中央的热阻值为3.5,则充惰性气体后中空玻璃中央的热阻值可提高到4.0。随着惰性气体的慢慢泄漏掉，玻璃中央的热阻值会从4.0线性地降回到3.5。

八、结论

氩气提高中空窗的保温能力。因为氩气导热不像空气那么容易，冬天可将热能保留在室内夏天将热阻挡在室外。窗户破裂或其他原因导致氩气泄漏都不会对人和建筑物有所损害。氩气在自然状态下存在，我们每时每刻呼吸的空气中就含有氩气，是一种无毒的惰性气体。

中空玻璃对氩气的保有能力决定于中空玻璃密封系统的质量。如果密封失败，氩气就会跑掉。许多试验显示中空窗的年泄漏率小于1％。如果中空窗的使用寿命为20年，那么20年后，中空窗内的氩气仍有最初充气水平的80％。

尽管节能是重要的，但人们从充惰性气体中空玻璃中得到的最大好处在于它提高了窗户内侧的温度从而提高了室内的舒适程度。提高室内玻璃温度消除或最大限度地减少玻璃的冷凝问题。人们在接近较温暖的玻璃表面时会感到更舒适。我们向中空玻璃内充惰性气体的原因很简单，充惰性气体的工艺简单、成本低廉，但却可改善中空玻璃的热效能。氩气是使用最多的惰性气体，成本低并容易获得。氪气尽管昂贵些，但人们在某些用途方面也使用，特别是在窗户的空气层要求较小的时候。