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關鍵詞：充氣 中空玻璃 層流 紊流 惰性氣體
隨著國家有關建筑節能的政策方針和法規的大力實施、建筑節能知識的逐漸普及，人們對節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模化生產帶來的市場增量的相對提高，使高性能中空玻璃的有效需求量的不斷增加成為可能。于是出現了低輻射鍍膜中空玻璃方面越來越廣泛的應用，方興未艾。但低輻射玻璃的應用帶來了我們以前不曾遇到的兩個問題：(1)使用離線低輻射鍍膜制作中空玻璃，對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的熱對流就變得十分迫切?！ ? 中空玻璃充惰性氣體有助于同時改善密封壽命和降低熱對流，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。本文重點討論提高充氣中空玻璃的初始濃度所涉及的有關問題，如充氣中空玻璃的生產過程控制和產品質量檢測，旨在幫助那些已經對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備的廠家選擇正確的充氣設備。
1 充氣的基本知識
一般來說，充氣中空玻璃所使用的惰性氣體為氬氣，具有無色、無味、無毒的特點，其分子量較空氣重38％，導熱系數比空氣小。
由于氬氣的密度比空氣大，因此，在中空玻璃充氣時，氬氣充（進）氣孔在下端、空氣的出（排）氣孔在上端，以置換出中空玻璃內的空氣，達到所需要的氬氣濃度。
中空玻璃的充氣過程實質上是流動氣體從一種運動狀態轉移到另一種狀態的過程，充氣質量高與否和氣體產生層流（laminar）抑或是紊流(turbulence)有關。因此，討論中空玻璃充氣質量不能離對于層流和紊流基本概念的討論。
層流和紊流是粘性流體運動時慣性力和粘性力共同作用的結果。粘性流體運動與理想流體運動的主要區別是微團的受力除慣性力外，還有粘性力。根據這兩種力的特點，它們對流體微團運動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發生相對運動，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中，流動的行為決定于這兩種力作用的結果。在粘性力的作用遠大于慣性力的作用條件下，氣體運動產生層流，反之，在慣性力的作用遠大于粘性力的作用時，氣體運動產生紊流?！ ?
直觀地看，作為流體運動的一種最簡單圖像，層流可以看成是彼此相鄰、并且具有“確定物質意義”的流層，或者說是不存在相互串動的“流體線元”，進行滑移運動的一種延伸。簡單地說，層流就是流體的分層流動。此時，運動中流體承受牛頓粘性應力，與固體之間反抗彼此滑移運動的力學機制沒有任何本質差異。紊流的基本特點是有渦性、不規則性、隨機性、擴散性和耗散性，是一種由大小不等、頻率不同的旋渦結構組成，使其物理量對時間和空間的變化均表現出不規則的隨機性?！ ?/div>
目前，我國中空玻璃的充氣質量不高，在很大的程度上是由充氣過程中產生的紊流所造成的。假定充氣設備的傳感器只識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準要求，人們用肉眼又無法區別哪片中空玻璃的惰性氣體在擴散后的濃度走向。如果采用高壓放電法對這類充氣中空玻璃的初始濃度進行在線檢測，所得出的濃度就會高出擴散后的實際濃度。結果有兩種：1）如果廠家將存在紊流的產品判斷為合格交付客戶或送到實驗室檢測，擴散后的實際濃度就會低于開始測試的濃度。2）這種濃度明顯變化的充氣中空玻璃會困惑生產廠家，因為產品的密封并無缺陷，且產品測試的只是初始濃度。
關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程流體運動狀態轉變過程中出現紊流的可能性及其特點。
2 紊流對充氣過程及濃度測量的影響
充氣中空玻璃產生紊流時，中空玻璃腔體內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到標準所規定的要求。此外，充氣過程中所產生的紊流，使空氣仍存在于中空玻璃空腔的中央位置。當中空玻璃出現紊流現象時，在中空玻璃排氣孔傳感器所檢測到的濃度，一般來說，應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散需要6~8小時。如果使用該方法進行在線檢測，則所測出的濃度明顯高于擴散后的實際濃度。因此，我們不能將這種檢測方法作為充氣中空玻璃的在線檢測手段。否則，在充氣中空玻璃內出現紊流現象條件下，會給出檢測人員錯誤的判斷。如存在紊流的充氣中空玻璃，采用高壓放電法檢測中空玻璃的位置應盡可能靠近間隔條位置（見圖4）。按照廠家建議的三個測量點，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小時后，得出正確的濃度數字。據調查，有的廠家自檢的充氣中空玻璃初始濃度在90％以上，但經第三方測量實際濃度明顯低于90％，有的甚至不足70％。通過對這些濃度差別大的充氣玻璃密封的外觀檢測，我們很難找出任何密封缺陷，因此，我們推斷出現這種現象的原因之一，是由于紊流造成的。
但是，這種檢測方法屬于產品質量的事后檢測。充氣中空玻璃放置6-8小時后，第二道密封膠基本固化，如果充氣中空玻璃的濃度達不到要求，則對已充氣的中空玻璃的返工是一件費時費力的事情。此外還有兩種可能：(1)如果對充氣方法不改進的話，我們仍無法保證返工的產品的充氣濃度達到要求；(2)采用普通的充氣方法，即自然充氣和充氣與強制抽氣法，不可避免發生紊流現象，即使是隨機抽查檢測的玻璃達到濃度要求，除非我們有充氣過程每片玻璃的實時監控數字，否則，我們也無法確切地保證整個批次的充氣玻璃都合格。
由此可見，除非我們采用的充氣設備能夠有效地避免紊流出現、抑或始終保持充氣過程的穩定的層流，否則，我們就不能排除在線檢測的濃度的真偽。進一步說，在此條件下，我們保證充氣中空玻璃的濃度的正確方法，只能是對充氣中空玻璃的生產過程進行控制，而不是產品的質量控制。
3 充氣中空玻璃的生產控制
充氣中空玻璃的生產過程控制(production process control)概念是，為確保充氣中空玻璃生產過程處于受控狀態，對影響充氣濃度質量的生產過程所采取的作業技術和生產過程的分析、診斷和實時監控。它的作用在于對生產過程的質量控制進行系統安排，對直接或間接影響過程質量的因素進行重點控制并制定實施控制計劃，確保過程質量。氬氣是無色無味氣體，其充氣濃度不易測量。目前的測試方法大體可以分為兩種：（1）傳感器對從排氣孔所收集的氣體與所設置的氣體濃度相比較，以判斷是否達到要求；（2）傳感器對排氣孔所收集的氣體與所設置的氣體濃度進行動態比較并給出濃度、氣壓和流速等實時曲線，不但從濃度上判斷而且從曲線形狀上判斷，充氣的實際濃度。二者相比，由于第二種方法不僅僅是兩個值的比較，而是對整個充氣過程的描述，是目前充氣過程實時監控的最先進的生產控制手段。
充氣中空玻璃濃度的質量控制（quality control）的特點是事后性，屬于不合格產品檢測。歐洲中空玻璃標準EN1279-6的生產控制實際上是指對充氣中空玻璃合片濃度的測量，應該理解為對產品的質量控制或檢測，而不是真正意義上的生產過程控制。對充氣中空玻璃初始濃度的抽樣檢測規定，1片/1000片/班，至少3片，當每班充氣中空玻璃不足100片時，抽查1片。充氣中空玻璃中的氬氣需要大約6~8小時才能完全擴散，因此，對中空玻璃氬氣初始濃度的檢測需在氣體完全擴散后才能進行。因此，無論是對充氣中空玻璃濃度的在線檢測抑或是在惰性氣體完全擴散的6~8小時后再檢測，都只能是對產品合格與否的判斷。假如這種抽樣檢測的結果是總體不合格，則問題的發現已經為時過晚。
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程中出現的紊流現象。對充氣中空玻璃生產控制的意義在于對整個充氣過程進行實時監控，從而有效地避免中空玻璃充氣過程中可能出現的紊流現象，提高和保證充氣質量的穩定性。
4 智能充氣技術
在清楚中空玻璃的充氣基本原理、充氣中空玻璃的生產過程必要性之后，我們有必要考慮一下主要的充氣技術和具體方式。概括地說，選擇充氣設備可以從設備的技術特點考慮。從與中空玻璃生產線結合的程度上看，充氣技術分為在線充氣和離線充氣；從生產自動化程度看，充氣技術分為自動化充氣和手工充氣。一般來說，在線充氣，顧名思義，是指充氣工藝是在中空玻璃生產線上，充氣過程在中空玻璃上框后、合片前（如李賽克生產線、百超生產線）完成，具有自動化程度高、充氣時間短和濃度穩定的優點，缺點是惰性氣體浪費大；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行。一般來說，普通手工充氣設備的特點是充氣速度較慢、氣體耗量較高、濃度低等。誠然，兩種充氣方式都需要生產過程控制，歐洲的一些玻璃廠家正對在線充氣進行升級采用實時監控的辦法。
一般來說，手工充氣設備的充氣方式主要有三種：自然充氣、充氣與排氣同時進行、程序控制充氣與排氣過程同時進行。自然充氣的流速一般在5升/分鐘左右，充氣與排氣同時進行的流速在12~18升/分鐘之間，程序控制充排氣過程的流速可高達90升/分鐘。
選擇中空玻璃充氣設備主要需要考慮三方面問題：初始充氣濃度、充氣時間和氣體消耗量。對此，我們首先依次分別敘述，然后綜合起來討論。
毋庸贅述，選擇充氣中空玻璃首先考慮的因素是設備的充氣質量的穩定性。提高充氣中空玻璃惰性氣體濃度的關鍵在于充氣設備在充氣過程中能否避免出現紊流，對充氣過程進行實時監控。采用自然充氣方法的特點是設備投資小，但充氣速度過慢，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。第2種方法即充氣與強制抽氣同步進行，雖然充氣速度有所提高從而縮短了充氣時間，但是強制抽氣容易導致空腔內氣體流動出現紊流，當傳感器測到惰性氣體并判斷達到所設置的濃度值時，可能并不是充氣玻璃的真實濃度。第3種方法即程序控制充氣與抽氣，其實質是對充氣過程進行智能控制，通過對充氣過程氣壓和流量的實時監控，極大地提高了充氣速度，避免了充氣過程中可能產生的紊流，從而保證了所規定的充氣濃度。
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節。這里僅列出有關中空玻璃充氣時的立式擺放問題。充氣的中空玻璃的立式擺放，應盡可能短邊靠地；如不得不長邊靠地的話，一般來說，應考慮適當延長充氣時間。
中空玻璃不能水平擺放充氣。有些公司在制作小片樣品時，將中空玻璃平放充氣，很難達到所需的濃度。
6 結語
充氣中空玻璃的生產過程控制是提高充氣濃度的重要保證。相比之下，充氣中空玻璃的質量控制是事后檢測，是保證充氣初始濃度的輔助手段。
紊流是造成我國中空玻璃充氣質量低的重要原因，使用智能控制快速充氣方法，不但能保證充氣過程的層流以達到標準所規定的初始濃度，而且具有充氣速度快和惰性氣體消耗量少的優點。此外，智能快速充氣設備的性價比好，具有投資較小、經久耐用的特點，對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，不失為一種較好的選擇。
