以傳統的大平板熱保護法測量絕熱材料為理論基礎，提出基于埋入式熱流計法快速測量真空絕熱板導熱系數的方案。通過有限元分析軟件ANSYS 仿真分析，證明了該測量原理的可行性。通過硬件電路設計和相關測量方法，實現了真空絕熱板導熱系數的快速測量。實驗結果表明，該檢測方案具有操作簡便、檢測速度快、測量精度高、成本低廉等優點，可廣泛應用于工業測量領域。

　　隨著全球經濟的迅速發展，能源危機問題日趨嚴峻，要從根本上解決能源危機已迫不及待。真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel，VIP) 是目前世界上最先進的高效保溫材料，其導熱系數一般在4 mW/( m·K) 左右，相當于普通絕熱材料的十倍甚至更高，而其厚度僅為普通絕熱材料的1 /7，因此具有環保和高效節能的特性。VIP 采用真空隔熱原理，由芯部的隔熱材料和封閉的隔氣薄膜組成，填充芯材與真空保護表層嚴密復合，可有效避免空氣對流引起的熱傳遞，導熱系數大幅度降低，從而達到絕佳的保溫效果。導熱系數是表征VIP 導熱性能的重要物理量。VIP 導熱系數的精確測量，有利于將VIP應用于絕熱保溫場合，并為系統選擇保溫材料提供依據。為了能生產出低導熱系數的VIP，必須精確測量VIP 的導熱系數。另外，VIP 使用長久之后，氣體會滲透到板內，使板內真空度破壞，引起它的導熱系數大大提高，保溫性能迅速下降。因此，為了檢測VIP 的老化程度，也必須精確測量VIP 的導熱系數。

　　目前國內主要采用大平板熱保護法及其原理研制VIP 導熱系數測量裝置。該裝置是基于一維穩態導熱下，采用熱流量的方式計算出VIP 的導熱系數。該裝置雖然測量精度高，但穩定時間長，而且該裝置受儀器尺寸的局限性，無法測量大尺寸的VIP 導熱系數。中國研制的這類測試裝置主要有天津英貝兒測控設備有限責任公司研制的雙平板導熱系數測定儀和沈陽鑫合經緯機械電子設備有限公司研制的導熱系數測定儀等。

　　目前國外VIP 導熱系數測量方法主要有兩種:常規檢測和快速檢測。常規檢測即采用國際上通用的熱流計法測量導熱系數，如日本EKO 公司基于熱流計研制的HC-074 系列導熱系數測定儀，測量精度高，但一次的檢測時間約為30 ～60 min。此種檢測速度很難于滿足大規模生產VIP 的要求。若購買多臺儀器檢測，雖然速度得到了提高，但大大增加了成本。為解決VIP 板質量檢測困難的問題，真空技術網(http://203scouts.com/)認為快速檢測方法顯然具有很大的優勢和市場。如EKO 公司推出的HC-120 VIP 快速檢測儀，使檢測時間縮短至6min 以內，真正實現了VIP 板的快速檢測。相對于常規檢測來講，快速檢測方法大大提高了速度，但檢測成本較高。

　　由于國內對VIP 導熱系數測量技術的研究比較晚，發展還不夠成熟。因此，本文以傳統的大平板熱保護法測量絕熱材料為理論基礎，致力于研究出一種新型的基于埋入式熱流計法快速測量VIP 導熱系數的方法。測量范圍為1 ～15 mW/( m·K) ，測量誤差< 5%，測量時間大約為60 s。根據美國ASTMC1484-01 標準的規定，VIP 的導熱系數大于11.5mW/( m·K) 被認為失效。

1、VIP 導熱系數測量原理

　　VIP 芯部的隔熱材料多采用玻璃纖維，在傳熱的過程中，氣體起了很大的導熱作用。如果將VIP 內部的氣體壓強下降到一定的程度，VIP 導熱系數將會維持為一個較低的常數。如圖1 所示為VIP 導熱系數與內部氣體壓強的關系曲線。

圖1 VIP 導熱系數與內部氣體壓強的關系曲線

　　從圖1 可以看出，當內部氣體壓強下降到10kPa 時，VIP 導熱系數維持為常數; 當內部氣體壓強在1 ～ 10³ Pa 之間時，VIP 導熱系數隨內部氣體壓強呈線性變化; 當內部氣體壓強低于1 Pa 時，VIP 導熱系數逐漸減小且趨于常數。因此，在生產VIP 時，VIP 內部氣體壓強通常在1 Pa 以下。在傳熱學中，Stefan-Boltzmann 定律描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規律，即

　　式中，E( T) 為黑體的輻射熱流密度; σ≡5.67 × 10 ^-8 W/( m²·K⁴ ) ，稱為黑體輻射常數; T 為黑體表面的熱力學溫度。由Stefan-Boltzmann 定律可知，黑體的輻射熱流密度隨溫度下降而迅速減小。基于埋入式熱流計法快速測量VIP 導熱系數主要機理如下:

　　(1) 熱量傳遞有導熱、對流和熱輻射三種基本方式。導熱、對流這兩種熱量傳遞方式只在有物質存在的條件下才能實現，而在真空環境中，物體以輻射方式傳遞熱量最為有效。

　　(2) 設一個電阻被內置于表面積為A 的VIP 內部中心位置，VIP 處于溫度為Tsurr的環境中。當電阻被加熱到溫度Ts時，電阻與周圍環境之間的凈輻射傳熱量為

　　式中，ε 為電阻的表面發射率，取值范圍為0 ～1，是描述電阻與黑體在發射熱輻射能力上的差別的物理量; σ 為黑體輻射常數; A 為VIP 的表面積; Ts、Tsurr分別表示電阻溫度和環境的溫度。

　　(3) 取同樣大小的電阻和熱敏電阻分別埋在VIP 內部中心位置。在相同溫度、濕度的環境下，由于VIP 內部氣體壓強不同，導致導熱系數不同。因此當電阻被加熱到溫度Ts停止加熱時，電阻在VIP內部的熱輻射強度也不同。將熱敏電阻接入RC 振蕩電路中，振蕩電路輸出信號頻率的大小反映了VIP內部電阻熱輻射速度的變化。

　　(4) 通過外部測量模塊精確檢測內部RC 振蕩電路的輸出信號頻率的大小，再將數據通過232 通信傳送到PC 機上，最后經過相關的測量方法計算出VIP 的導熱系數。

5、測量結果與誤差分析

　　另選擇10 塊VIP 板進行測試，該10 塊VIP 板同樣已經過日本EKO 公司的HC-074-300 導熱系數測定儀測定其導熱系數，然后根據上述測量方法得到如表2 所示的測量數據。

表2 實驗測量數據

　　從表2 中不難發現，實際的導熱系數測量值存在一定的誤差。導致測量值存在誤差的因素: 在實驗中通過一元回歸分析將VIP 導熱系數和其內部測量組件的頻率變化特征值近似線性關系，這種線性關系必定導致測量結果存在誤差，可選擇多元回歸分析提高測量精度; 另外，VIP 內部測量組件中電子元器件的參數誤差同樣會導致系統存在一定的誤差，尤其是熱敏電阻的精度極大地影響了本實驗的測量精度。

6、結論

　　本文通過仿真分析和大量的實驗驗證了基于埋入式熱流計法快速測量VIP 導熱系數方案的可行性。該檢測方法與傳統的測量方法相比，不但降低了成本，而且提高了檢測速度。因此，這種測量方法具有較高的應用價值，同時有利于推動國內導熱系數快速測量的發展。