中空玻璃的充气控制和低辐射镀膜探测

　　一、概述

　　不管在当今世界哪个地方，对于高品质中空玻璃的需求都与日俱增。很多国家都在国际上或本土承诺要减少二氧化碳排放。能源需求受世界上日益增长的人口和经济增长驱动的影响在不断增长。能源生产和环境效应的基本目标是降低全球气候变暖的速度，和以安全方式生产能源。在21世纪初，能耗的增加已经以平均每年3%的最快增长呈现出来，这个现象来自于快速的经济增长，如印度和中国。在全球范围能源的生产是基于化石材料。二氧化碳排放被认为是所谓温室效应中最主要的原因，而能源是其最大的来源。碳排放预计要降低其年均水平，尤其对最大来源的工业领域的设定就非常高。在建筑领域达到目标将需要对既有实践和法规进行更改。在建筑领域目标分两个阶段，首先是降低建筑物的能源使用，其次是用可再生能源来替代缩减后的能源需求。根据多个国际建筑项目就可以知道，投资节能建筑是明智的选择。尽管低能耗的建筑造价比普通建筑要高2到5个百分点，但是从长期成本来看还是低的，因为能源成本低了。为了减少建筑施工带来的碳排放，政府机构出台了正式的法令法规来控制保温和建筑材料的节能性。当涉及到建筑的保温效果时，玻璃通常是最薄弱的一个环节，所以提高建筑的整体节能水平成了提高中空玻璃质量的强大驱动力。在芬兰，建筑的用电和取暖方面大概占总能耗的34%。这些法规里同样对门窗（词条“门窗”由行业大百科提供）和用于制作门窗的玻璃设定了要求，其中就包括中空玻璃所用的材料和结构。

　　当研究中空玻璃的节能效果时，观察员将注重其隔热效果和玻璃的辐射率。这篇文章将重点放在中空玻璃所用玻璃部分。除非另有定义，这篇文章中所指的U值为热传导系数。它描述了在标准条件下，单位时间内从单位面积的玻璃组件一侧空气到另一侧空气的传输热量。即U = 1/R = Qa/dT(W/m2K)(单位：瓦每平方米每开氏温度)。它亦以R值的导数为人所知，R值为热阻系数。U值越低，玻璃的隔热性能越好。

　　表1：玻璃部分对窗户性能的影响

　　二、低辐射镀膜中空玻璃

　　术语“选择型辐射”或“低辐射”玻璃是指玻璃带有一层或多层的金属氧化物的透明膜。选择型辐射是指辐射的传输和反射依赖于辐射的光波波长。低辐射镀膜的意义在于减少中空玻璃的玻璃片间的热辐射，以提高它的隔热性能。

　　热传递是通过气体流动，传导和辐射来实现的。辐射被分为长波和短波辐射。短波辐射如可见太阳光，射入玻璃的一部分长波热辐射会被低辐射镀膜给滤过。这会改善玻璃的隔热性能和整体的热力性能。同样，内部表面的结霜也会由于低辐射镀膜而降低。结霜是由于不同玻璃片的温度差和湿度差引起的。如果中空玻璃的表面温度比其内部的空气的温度低的话，同样也会在窗户周边引起冷空气流动，但如果用的中空玻璃隔热性能好的话就没有问题，因为中空表面的温度会相对高些，不会与其内部空气产生那么大的温度差。

　　对一个标准的窗户来说，其近乎一半的热损失（词条“热损失”由行业大百科提供）是由于玻璃片间的辐射引起的，而另一半是由于惰性气体的热传导和其间的对流。

　　表2：不同窗户结构的U值举例：自1978年以来芬兰所用的窗户

　　图1：低辐射镀膜在中空玻璃内的效果

　　三、惰性气体

　　3.1为什么要充气?

　　稀有气体如氩气和氪气，甚至氙气一般被作为惰性气体填充于中空玻璃里，因为他们对于热的传输和传导要比标准空气要小的多。这也是为什么要用惰性气体作为填充气体。最大的改进方法可以通过镀低辐射膜和充氩气来实现。氩气是最被广泛运用的惰性气体，因为它的价格便宜，且易提取。氩气无毒不活跃，比空气在热传导性上低大概30%左右(0,0179 W/mk 对 0,0262 W/mK)，它是通过液态氮和氧制作过程中从空气中提炼出来的。作为一种非活性气体，氩气也可以保护中空玻璃内其它有价值的材料。比氩气贵的选择是氪气和氙气，它们相对氩气来说更稳定和不活跃。六氟化硫由于它的声学特质也被用于绝缘，但现在认为它会对环境造成污染，所以已经很少使用。

　　中空玻璃的热损失也可通过优化玻璃片间的间隔条宽度来降低。常用的间隔条宽度为16mm或12mm，很少有用超过18mm的间隔条。通过选择密度（词条“密度”由行业大百科提供）高过空气的最佳惰性气体可以降低气体的对流。间隔条通常是用导热材料制造的，如铝（词条“铝”由行业大百科提供）或钢，创建一种线性热桥。先进的间隔条材料可以通过其热导性来降低热损失，使得中空玻璃内侧在寒冷的时候也可以保持与加热了建筑物同样的温度。

　　通过对建筑的U值的要求有着间接或直接的不同标准，而根据这些标准，对于氩气充气率需求也不一样。不同的标准可能会根据市场区域不同而有所变化，但它们大部分都为生产设定了高要求，那就是要求充气含量达到90%，且年泄露率低于1%。

　　图2：在不同气体与不同含量下，间隔条宽度12 mm时，玻璃第三面的U值与辐射率的关系

　　3.2充气和气体保持力的问题

　　一些潜在的问题会在对中空玻璃充气过程中发生。充气可以通过自动箱式充气或手动式充气的方法来执行，但是两者都有各自的风险和质量控制问题。当使用自动充气线时，操作者需要检验机械和充气过程是否都正常工作。因为惰性气体是看不见且无味的，所以没有正确的工具是很难探测到的。手动充气同样可能会因操作过程中人为的错误而易泄露掉，例如在填补充气孔或在封第二道密封胶时。另外，充气结果可能会产生湍流，或者气体没有均匀分布的问题。尽管充气过程可能成功了，但问题仍会发生。惰性气体可能会由于生产过程中使用的不良的材料或做工而慢慢地泄露掉。因此，在生产过程中应该多次检验气体含量，以确保整个生产阶段都按其设置地一样运转。

　　四、检测和探测中空玻璃内惰性气体含量和低辐射镀膜

　　4.1探测低辐射镀膜

　　选择性辐射玻璃的镀膜一般是金属类和导电性镀膜。另外镀了膜的玻璃比白玻会反射更多的光，这个可以在用来检测玻璃是否有低辐射镀膜时采用。

　　对于电容式探测仪来说，交流电通过电极被导在玻璃表面。探测仪可以为低辐射镀膜探测或潮气探测而设计。这类探测仪将可以探测电流的强度。一片选择性辐射玻璃可以比白玻会产生更强的电流。这个方法在检测低辐射镀膜玻璃是否真的有低辐射镀膜时使用。但是它不能用于多层玻璃结构的低辐射镀膜检测。

　　另外一种检测玻璃表面是否有低辐射镀膜的方法是，把直流电通过一个电极导至到另一个电极然后导在玻璃表面。这时，有镀膜的表面会引导电流而没有镀膜的那一面则表现为绝缘，因为玻璃不是导体而是一个绝缘体。操作者在使用这种解决方案时，需要从已知的镀膜表面进行测量。

　　光学测量仪器也被应用于检测玻璃的低辐射镀膜探测和玻璃间隔厚度检测。这些光学测量仪器使得操作者在检测中空玻璃各玻璃片厚度时同步地检测到玻璃间隔的厚度。仪器的实例如图2。这个技术是基于激光光柱，它以45度角射出，然后被反射到仪器传感器。玻璃片和间隔厚度就是由这个反射回来的激光柱到传感器的距离决定。该技术同时需要预先知道玻璃和空气的折射参数。

　　市场有很多这样用于探测低辐射镀膜和间隔条厚度的仪器。其系列功能和价格视最终用户的需求，范围很广。对于有些仪器，操作者必须根据在某些范围的反射进行总结。同样，一些较复杂但用户界面友好的仪器是可以以图形的方式告诉使用者中空玻璃的检测结果。这样的仪器可以去检测整个配置结构，检查低辐射镀膜是否在正确的位置上，同时检测玻璃片和间隔宽度是否在允许的公差范围内。关于潜在的过剩压力的结论是通过适当的仪器也是可以测量的。

　　图3：一台检测玻璃和间隔厚度的光学检测仪器

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