關(guān)于中空玻璃充氣知識(shí)

關(guān)于中空玻璃充氣知識(shí)

　　隨著國(guó)家有關(guān)建筑節(jié)能的政策方針和法規(guī)的大力實(shí)施、建筑節(jié)能知識(shí)的逐漸普及，人們對(duì)節(jié)能配置高的中空玻璃需求也在不斷增加，低輻射鍍膜玻璃的規(guī)模化生產(chǎn)帶來(lái)的市場(chǎng)增量的相對(duì)提高，使高性能中空玻璃的有效需求量的不斷增加成為可能。于是出現(xiàn)了低輻射鍍膜中空玻璃方面越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，方興未艾。但低輻射玻璃的應(yīng)用帶來(lái)了我們以前不曾遇到的兩個(gè)問題：（1）使用離線低輻射鍍膜制作中空玻璃，對(duì)密封壽命的要求變得更加突出；（2）使用低輻射玻璃解決熱輻射問題之后，降低中空玻璃空腔內(nèi)的熱對(duì)流就變得十分迫切?！　?nbsp;   中空玻璃充惰性氣體有助于同時(shí)改善密封壽命和降低熱對(duì)流，而充氣中空玻璃所必要的初始充氣濃度和氣密性，是解決這兩方面問題的基本保證。本文重點(diǎn)討論提高充氣中空玻璃的初始濃度所涉及的有關(guān)問題，如充氣中空玻璃的生產(chǎn)過(guò)程控制和產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，旨在幫助那些已經(jīng)對(duì)中空玻璃充氣但濃度低于90％和那些正在考慮上中空玻璃充氣設(shè)備的廠家選擇正確的充氣設(shè)備。

　　1   充氣的基本知識(shí)

　　一般來(lái)說(shuō)，充氣中空玻璃所使用的惰性氣體為氬氣，具有無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒的特點(diǎn)，其分子量較空氣重38％，導(dǎo)熱系數(shù)比空氣小。

　　由于氬氣的密度比空氣大，因此，在中空玻璃充氣時(shí)，氬氣充（進(jìn)）氣孔在下端、空氣的出（排）氣孔在上端，以置換出中空玻璃內(nèi)的空氣，達(dá)到所需要的氬氣濃度。

　　中空玻璃的充氣過(guò)程實(shí)質(zhì)上是流動(dòng)氣體從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)的過(guò)程，充氣質(zhì)量高與否和氣體產(chǎn)生層流（laminar）抑或是紊流（turbulence）有關(guān)。因此，討論中空玻璃充氣質(zhì)量不能離對(duì)于層流和紊流基本概念的討論。

　　層流和紊流是粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性力和粘性力共同作用的結(jié)果。粘性流體運(yùn)動(dòng)與理想流體運(yùn)動(dòng)的主要區(qū)別是微團(tuán)的受力除慣性力外，還有粘性力。根據(jù)這兩種力的特點(diǎn)，它們對(duì)流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)行為的影響是不同的。按照定義，粘性力的作用是阻止流體微團(tuán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而慣性力的作用與粘性力的作用正好相反，因此在粘性流體流動(dòng)中，流動(dòng)的行為決定于這兩種力作用的結(jié)果。在粘性力的作用遠(yuǎn)大于慣性力的作用條件下，氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生層流，反之，在慣性力的作用遠(yuǎn)大于粘性力的作用時(shí)，氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生紊流。

　　直觀地看，作為流體運(yùn)動(dòng)的一種最簡(jiǎn)單圖像，層流可以看成是彼此相鄰、并且具有“確定物質(zhì)意義”的流層，或者說(shuō)是不存在相互串動(dòng)的“流體線元”，進(jìn)行滑移運(yùn)動(dòng)的一種延伸。簡(jiǎn)單地說(shuō)，層流就是流體的分層流動(dòng)。此時(shí)，運(yùn)動(dòng)中流體承受牛頓粘性應(yīng)力，與固體之間反抗彼此滑移運(yùn)動(dòng)的力學(xué)機(jī)制沒有任何本質(zhì)差異。紊流的基本特點(diǎn)是有渦性、不規(guī)則性、隨機(jī)性、擴(kuò)散性和耗散性，是一種由大小不等、頻率不同的旋渦結(jié)構(gòu)組成，使其物理量對(duì)時(shí)間和空間的變化均表現(xiàn)出不規(guī)則的隨機(jī)性。

　　目前，我國(guó)中空玻璃的充氣質(zhì)量不高，在很大的程度上是由充氣過(guò)程中產(chǎn)生的紊流所造成的。假定充氣設(shè)備的傳感器只識(shí)別中空玻璃排氣孔處收集到的惰性氣體的濃度，且充氣中空玻璃的層流和紊流最終給出的惰性氣體濃度同樣符合標(biāo)準(zhǔn)要求，人們用肉眼又無(wú)法區(qū)別哪片中空玻璃的惰性氣體在擴(kuò)散后的濃度走向。如果采用高壓放電法對(duì)這類充氣中空玻璃的初始濃度進(jìn)行在線檢測(cè)，所得出的濃度就會(huì)高出擴(kuò)散后的實(shí)際濃度。結(jié)果有兩種：1）如果廠家將存在紊流的產(chǎn)品判斷為合格交付客戶或送到實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，擴(kuò)散后的實(shí)際濃度就會(huì)低于開始測(cè)試的濃度。2）這種濃度明顯變化的充氣中空玻璃會(huì)困惑生產(chǎn)廠家，因?yàn)楫a(chǎn)品的密封并無(wú)缺陷，且產(chǎn)品測(cè)試的只是初始濃度。

　　關(guān)于流體的層流和紊流的上述表述，在于揭示中空玻璃充氣過(guò)程流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中出現(xiàn)紊流的可能性及其特點(diǎn)。

　　2 紊流對(duì)充氣過(guò)程及濃度測(cè)量的影響

　　充氣中空玻璃產(chǎn)生紊流時(shí)，中空玻璃腔體內(nèi)的部分空氣始終不能被充入的氬氣置換掉，因此，存在紊流的充氣中空玻璃的初始濃度很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。此外，充氣過(guò)程中所產(chǎn)生的紊流，使空氣仍存在于中空玻璃空腔的中央位置。當(dāng)中空玻璃出現(xiàn)紊流現(xiàn)象時(shí)，在中空玻璃排氣孔傳感器所檢測(cè)到的濃度，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)高于中空玻璃腔體中央湍流的空氣，而中空玻璃的惰性氣體的完全擴(kuò)散需要6~8小時(shí)。如果使用該方法進(jìn)行在線檢測(cè)，則所測(cè)出的濃度明顯高于擴(kuò)散后的實(shí)際濃度。因此，我們不能將這種檢測(cè)方法作為充氣中空玻璃的在線檢測(cè)手段。否則，在充氣中空玻璃內(nèi)出現(xiàn)紊流現(xiàn)象條件下，會(huì)給出檢測(cè)人員錯(cuò)誤的判斷。如存在紊流的充氣中空玻璃，采用高壓放電法檢測(cè)中空玻璃的位置應(yīng)盡可能靠近間隔條位置（見圖4）。按照廠家建議的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，正好避開了充氣中空玻璃的紊流氣體，即空氣位置，所給出的濃度為惰性氣體的濃度。因此，有必要在充氣中空玻璃放置6~8小時(shí)后，得出正確的濃度數(shù)字。據(jù)調(diào)查，有的廠家自檢的充氣中空玻璃初始濃度在90％以上，但經(jīng)第三方測(cè)量實(shí)際濃度明顯低于90％，有的甚至不足70％。通過(guò)對(duì)這些濃度差別大的充氣玻璃密封的外觀檢測(cè)，我們很難找出任何密封缺陷，因此，我們推斷出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因之一，是由于紊流造成的。

　　但是，這種檢測(cè)方法屬于產(chǎn)品質(zhì)量的事后檢測(cè)。充氣中空玻璃放置6-8小時(shí)后，第二道密封膠基本固化，如果充氣中空玻璃的濃度達(dá)不到要求，則對(duì)已充氣的中空玻璃的返工是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情。此外還有兩種可能：（1）如果對(duì)充氣方法不改進(jìn)的話，我們?nèi)詿o(wú)法保證返工的產(chǎn)品的充氣濃度達(dá)到要求；（2）采用普通的充氣方法，即自然充氣和充氣與強(qiáng)制抽氣法，不可避免發(fā)生紊流現(xiàn)象，即使是隨機(jī)抽查檢測(cè)的玻璃達(dá)到濃度要求，除非我們有充氣過(guò)程每片玻璃的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)字，否則，我們也無(wú)法確切地保證整個(gè)批次的充氣玻璃都合格。

　　由此可見，除非我們采用的充氣設(shè)備能夠有效地避免紊流出現(xiàn)、抑或始終保持充氣過(guò)程的穩(wěn)定的層流，否則，我們就不能排除在線檢測(cè)的濃度的真?zhèn)巍＿M(jìn)一步說(shuō)，在此條件下，我們保證充氣中空玻璃的濃度的正確方法，只能是對(duì)充氣中空玻璃的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，而不是產(chǎn)品的質(zhì)量控制。

　　3 充氣中空玻璃的生產(chǎn)控制

　　充氣中空玻璃的生產(chǎn)過(guò)程控制（production process control）概念是，為確保充氣中空玻璃生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀態(tài)，對(duì)影響充氣濃度質(zhì)量的生產(chǎn)過(guò)程所采取的作業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)過(guò)程的分析、診斷和實(shí)時(shí)監(jiān)控。它的作用在于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制進(jìn)行系統(tǒng)安排，對(duì)直接或間接影響過(guò)程質(zhì)量的因素進(jìn)行重點(diǎn)控制并制定實(shí)施控制計(jì)劃，確保過(guò)程質(zhì)量。氬氣是無(wú)色無(wú)味氣體，其充氣濃度不易測(cè)量。目前的測(cè)試方法大體可以分為兩種：（1）傳感器對(duì)從排氣孔所收集的氣體與所設(shè)置的氣體濃度相比較，以判斷是否達(dá)到要求；（2）傳感器對(duì)排氣孔所收集的氣體與所設(shè)置的氣體濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較并給出濃度、氣壓和流速等實(shí)時(shí)曲線，不但從濃度上判斷而且從曲線形狀上判斷，充氣的實(shí)際濃度。二者相比，由于第二種方法不僅僅是兩個(gè)值的比較，而是對(duì)整個(gè)充氣過(guò)程的描述，是目前充氣過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的最先進(jìn)的生產(chǎn)控制手段。

　　充氣中空玻璃濃度的質(zhì)量控制（quality control）的特點(diǎn)是事后性，屬于不合格產(chǎn)品檢測(cè)。歐洲中空玻璃標(biāo)準(zhǔn)EN1279-6的生產(chǎn)控制實(shí)際上是指對(duì)充氣中空玻璃合片濃度的測(cè)量，應(yīng)該理解為對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制或檢測(cè)，而不是真正意義上的生產(chǎn)過(guò)程控制。對(duì)充氣中空玻璃初始濃度的抽樣檢測(cè)規(guī)定，1片/1000片/班，至少3片，當(dāng)每班充氣中空玻璃不足100片時(shí)，抽查1片。充氣中空玻璃中的氬氣需要大約6~8小時(shí)才能完全擴(kuò)散，因此，對(duì)中空玻璃氬氣初始濃度的檢測(cè)需在氣體完全擴(kuò)散后才能進(jìn)行。因此，無(wú)論是對(duì)充氣中空玻璃濃度的在線檢測(cè)抑或是在惰性氣體完全擴(kuò)散的6~8小時(shí)后再檢測(cè)，都只能是對(duì)產(chǎn)品合格與否的判斷。假如這種抽樣檢測(cè)的結(jié)果是總體不合格，則問題的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為時(shí)過(guò)晚。

　　綜上所述，造成充氣中空玻璃初始濃度低的最主要原因在于充氣過(guò)程中出現(xiàn)的紊流現(xiàn)象。對(duì)充氣中空玻璃生產(chǎn)控制的意義在于對(duì)整個(gè)充氣過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有效地避免中空玻璃充氣過(guò)程中可能出現(xiàn)的紊流現(xiàn)象，提高和保證充氣質(zhì)量的穩(wěn)定性。

　　4 智能充氣技術(shù)

　　在清楚中空玻璃的充氣基本原理、充氣中空玻璃的生產(chǎn)過(guò)程必要性之后，我們有必要考慮一下主要的充氣技術(shù)和具體方式。概括地說(shuō)，選擇充氣設(shè)備可以從設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)考慮。從與中空玻璃生產(chǎn)線結(jié)合的程度上看，充氣技術(shù)分為在線充氣和離線充氣；從生產(chǎn)自動(dòng)化程度看，充氣技術(shù)分為自動(dòng)化充氣和手工充氣。一般來(lái)說(shuō)，在線充氣，顧名思義，是指充氣工藝是在中空玻璃生產(chǎn)線上，充氣過(guò)程在中空玻璃上框后、合片前（如李賽克生產(chǎn)線、百超生產(chǎn)線）完成，具有自動(dòng)化程度高、充氣時(shí)間短和濃度穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是惰性氣體浪費(fèi)大；手工充氣在中空玻璃制合片之后，在第二道密封膠涂布之前或后離線進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)，普通手工充氣設(shè)備的特點(diǎn)是充氣速度較慢、氣體耗量較高、濃度低等。誠(chéng)然，兩種充氣方式都需要生產(chǎn)過(guò)程控制，歐洲的一些玻璃廠家正對(duì)在線充氣進(jìn)行升級(jí)采用實(shí)時(shí)監(jiān)控的辦法。

　　一般來(lái)說(shuō)，手工充氣設(shè)備的充氣方式主要有三種：自然充氣、充氣與排氣同時(shí)進(jìn)行、程序控制充氣與排氣過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。自然充氣的流速一般在5升/分鐘左右，充氣與排氣同時(shí)進(jìn)行的流速在12~18升/分鐘之間，程序控制充排氣過(guò)程的流速可高達(dá)90升/分鐘。

　　選擇中空玻璃充氣設(shè)備主要需要考慮三方面問題：初始充氣濃度、充氣時(shí)間和氣體消耗量。對(duì)此，我們首先依次分別敘述，然后綜合起來(lái)討論。

　　毋庸贅述，選擇充氣中空玻璃首先考慮的因素是設(shè)備的充氣質(zhì)量的穩(wěn)定性。提高充氣中空玻璃惰性氣體濃度的關(guān)鍵在于充氣設(shè)備在充氣過(guò)程中能否避免出現(xiàn)紊流，對(duì)充氣過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用自然充氣方法的特點(diǎn)是設(shè)備投資小，但充氣速度過(guò)慢，充氣濃度沒有保證，氣體消耗量大，不適合大量中空玻璃充氣的生產(chǎn)。第2種方法即充氣與強(qiáng)制抽氣同步進(jìn)行，雖然充氣速度有所提高從而縮短了充氣時(shí)間，但是強(qiáng)制抽氣容易導(dǎo)致空腔內(nèi)氣體流動(dòng)出現(xiàn)紊流，當(dāng)傳感器測(cè)到惰性氣體并判斷達(dá)到所設(shè)置的濃度值時(shí)，可能并不是充氣玻璃的真實(shí)濃度。第3種方法即程序控制充氣與抽氣，其實(shí)質(zhì)是對(duì)充氣過(guò)程進(jìn)行智能控制，通過(guò)對(duì)充氣過(guò)程氣壓和流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大地提高了充氣速度，避免了充氣過(guò)程中可能產(chǎn)生的紊流，從而保證了所規(guī)定的充氣濃度。

　　5 其他

　　為提高充氣中空玻璃的惰性氣體濃度，還需注意其他一些細(xì)節(jié)。這里僅列出有關(guān)中空玻璃充氣時(shí)的立式擺放問題。充氣的中空玻璃的立式擺放，應(yīng)盡可能短邊靠地；如不得不長(zhǎng)邊靠地的話，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)考慮適當(dāng)延長(zhǎng)充氣時(shí)間。

　　中空玻璃不能水平擺放充氣。有些公司在制作小片樣品時(shí)，將中空玻璃平放充氣，很難達(dá)到所需的濃度。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　充氣中空玻璃的生產(chǎn)過(guò)程控制是提高充氣濃度的重要保證。相比之下，充氣中空玻璃的質(zhì)量控制是事后檢測(cè)，是保證充氣初始濃度的輔助手段。

　　紊流是造成我國(guó)中空玻璃充氣質(zhì)量低的重要原因，使用智能控制快速充氣方法，不但能保證充氣過(guò)程的層流以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的初始濃度，而且具有充氣速度快和惰性氣體消耗量少的優(yōu)點(diǎn)。此外，智能快速充氣設(shè)備的性價(jià)比好，具有投資較小、經(jīng)久耐用的特點(diǎn)，對(duì)于那些亟需提高充氣水平卻苦于找不到好的充氣方法的企業(yè)，不失為一種較好的選擇。