Por N. Ng y L. So, Insituto de Física A28, Universidad de Sydney, NSW 2006, Australia

Resumen

El Acristalamiento de Vacío es una nueva generación de ventana con aislamiento térmico. El diseño del acristalamiento de vacío se basa en el principio de operación de la botella aislante y es similar a una unidad de doble vidrio con un volumen evacuado. El acristalamiento de vacío consta de dos hojas de vidrio cerradas herméticamente en los bordes. Las hojas de vidrio están separadas por un espacio vaciado muy estrecho y pequeños materiales de soporte. Son logrados altos niveles de aislamiento térmico evacuando el espacio a una presión muy baja. Esta presión baja reduce bastante la conducción y convección de gas dentro del espacio. Luego, la transferencia de calor a través del acristalamiento de vacío es significativamente más baja comparando con una unidad de doble vidriado con gas inerte. En el desarrollo del acristalamiento de vacío, fueron estudiados varios diseños y técnicas para producir un acristalamiento de vacío con grandes propiedades de aislamiento. Han sido desarrolladas distintas técnicas de control de calidad para monitorizar el rendimiento del acristalamiento de vacío respecto a la conductividad térmica y presión interna.

Introducción

En los edificios, las ventanas son relativamente menos aislantes que las otras estructuras del edificio como las paredes. Luego, su contributo para el consumo de energía es importante. El aislamiento de las ventanas es uno de los factores cruciales en el diseño de edificios eficientes energéticamente.

El rendimiento aislante de una ventana puede ser mejorado usando doble o múltiple vidriado, que consta de dos o más hojas de vidrio separadas por espacios llenos de aire. El transporte del calor entre las hojas de vidrio es afectado por la radiación entre las superficies del vidrio, y la conducción y convección en el espacio. La conducción puede ser reducida llenando las cavidades con gases inertes como el argón, o aumentando la separación de las hojas de vidrio. Sin embargo, aumentar el espacio, que tiene cerca de 10 mm de ancho para un doble vidriado convencional, también aumenta la convección. Si no hay moléculas de gas, la conducción y la convección pueden ser eliminadas. Luego, es posible alcanzar altos niveles de aislamiento en un doble vidriado a través de la evacuación del gas del espacio entre las dos hojas de vidrio. Esto lleva al concepto de acristalamiento de vacío. Existen ventajas obvias en el desarrollo del acristalamiento de vacío. Se logran altos niveles de aislamiento combinando revestimientos de baja emisión y el vacío. Puesto que la propiedad aislante de un espacio evacuado es independiente de la anchura de su espacio, el buen aislamiento deberá ser posible en una estructura con un espacio de vacío muy estrecho. Consecuentemente, el grosor de un acristalamiento de vacío podrá ser reducido a casi el mismo de dos hojas de vidrio. La Tabla 1 muestra la conductividad térmica típica de distintos modelos de ventanas. Muestra que la conductividad del acristalamiento de vacío es cerca de 7 veces menor que la de una única hoja de vidrio. El rendimiento de un triple vidriado con un grosor de 15 mm es casi el mismo del acristalamiento de vacío. Sin embargo, el grosor del acristalamiento de vacío es de solamente 6 mm, lo que hace que este dispositivo sea un candidato ideal para el mercado de la modernización.

Los científicos, ingenieros y desarrolladores han intentado diseñar durante muchos años una ventana que pudiera sacar provecho de las ventajas del alto valor de aislamiento de un sistema de vacío y del pequeño grosor del acristalamiento de vacío. Sin embargo, se enfrentaron a varios retos y problemas en la construcción del dispositivo.

Desarrollo del acristalamiento de vacío

Puesto que el acristalamiento de vacío exige un espacio evacuado entre las hojas de vidrio, es esencial tener un cierre hermético contra fugas en los bordes de ambas hojas de vidrio. La alta permeabilidad de todos los polímeros y plásticos hace que sean inadecuados para este objetivo. En segundo lugar, para reducir el calor radiactivo, a fin de reducir el fujo de calor radiactivo entre las hojas de vidrio, es necesario desarrollar revestimientos de baja emisividad que sean compatibles  con el vacío y resitentes a procesos de desgasificación de altas temperaturas. En tercer lugar, la presión interna del dispositivo debe ser suficientemente baja (< 10-3 Torr) para que la conducción del gas sea poco significativa. También es importante desarrollar materiales de apoyo que puedan impedir el toque de las hojas de vidrio bajo la influencia de la presión atmosférica.

En 1989, el grupo de acristalamiento de vacío de la Universidad de Sydney [1] presentó su primer informe sobre la producción de éxito de un acristalamiento de vacío. Consiste en dos hojas planas de vidrio cerradas herméticamente en conjunto en los bordes y separadas por un espacio estrecho. Debido a la presión atmosférica, las hojas de vidrio se mantienen separadas por pequeños materiales de soporte. La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de una muestra de acristalamiento de vacío. El acristalamiento está compuesto de dos hojas de vidrio sódico-cálcico, tipicamente con 3 - 4 mm de grosor. El cierre del borde en la periferia del acristalamiento está hecho de vidrio de soldadura [2]. La muestra es bombeada a través de un pequeño tubo de aspiración. Debido al estrecho hueco (~0.2 mm) entre las hojas de vidrio y a la pequeña dimensión del tubo de aspiración, parece que el bombeo podría llevar demasiado tiempo en lo que concerne la producción comercial. Sin embargo, nuestros resultados indicaron que el tiempo necesario para evacuar el acristalamiento de vacío es determinado por la desgasificación de las superficies del vidrio, más que por consideraciones de evacuación [3]. Después del proceso de desgasificación de alta temperatura y de bombeo, la muestra es cerrada herméticamente fundiendo la parte final del tubo de evacuación.

Control de calidad del acristalamiento de vacío

El éxito del acristalamiento de vacío depiende de su rendimiento de aislamiento y de la estabilidad del vacío. Fue realizada una amplia investigación relacionada con estos aspectos. El rendimiento del acristalamiento de vacío es afectado por la conductividad del dispositivo, que es controlado por conducción de columna, radiación y conductividad del gas. Su estabilidad de vacío podría ser afectada por fugas en el cierre hermético o el tubo de evacuación, o por la emisión de gases de la superficie interna del vidrio. La desgasificación también podría ser aumentada exponiendo el acristalamiento a altas temperaturas.

Cuando el acristalamiento de vacío está hecho, es importante determinar si existe vacío en el interior del acristalamiento. Además, es esencial demostrar que la presión interna de un acristlamiento de vacío se mantiene bajo (<10-3 Torr) durante un largo periodo de tiempo. Luego, las técnicas fueron desarrolladas para evaluar el rendimiento del acristalamiento de vacío y su estabilidad.

Los aparatos de placa térmica de seguridad han sido desarrollados para medir el flujo de calor local a través del acristalamiento de vacío [4]. Suministra mediciones locales muy precisas del flujo térmico a través del acristalamiento de vacío. Este dispositivo ha sido usado para validar modelos teóricos para los distintos procesos de flujo térmico a través del acristalamiento debido a la radiación, conducción de gas y conducción térmica a través de las columnas. El aparato de placa térmica de reserva también ha probado ser útil para demostrar que el vacío interno en el acristalamiento es estable durante largos periodos de tiempo.

Fue desarrollado un método de medición de la conductividad del acristalamiento de vacío cuando la muestra está sometida a altas temperaturas – técnica transitoria [5]. El método es muy rápido, fácil de aplicar y presenta resultados altamente reproducibles. Este método ha probado ser útil en el estudio de los procesos de desgasificación en el acristalamiento de vacío, y puede ser ampliamente utilizado como herramienta de garantía de calidad durante el proceso de fabricación de estos dispositivos.

La estabilidad del acristalamiento de vacío fue estudiada en dos áreas: térmica y óptica. La estabilidad térmica del dispositivo fue estudiada usando experimentos de envejecimiento acelerado en los que las muestras fueron sometidas a altas temperaturas. Los resultados indicaron que la desgasificación del acristalamiento de vacío a altas temperaturas implica la fusión de moléculas de agua dentro del vidrio, y la adsorpción / desorpción de las moléculas de gas en las superficies internas del vidrio [6]. Puesto que la principal aplicación del acristalamiento de vacío es en las ventanas, hemos estudiado la desgasificiación del dispositivo cuando está expuesto a la luz del sol. Los experimentos de envejecimiento óptico fueron realizados para estudiar el cambio en la presión de la muestra cuando fue almacenada en el exterior.

El estudio demostró que los procesos de desgasificación óptica son distintos de la desgasificación térmica y las moléculas de gas emitidas no son agua, sino dióxido de carbono.

Conclusión

Las muestras del acristalamiento de vacío con baja presión interna han sido desarrolladas com éxito por el grupo de investigación en la Universidad de Sydney. Ellos demostraron una conducción gaseosa poco significativa. El grosor del acristalamiento de vacío es casi tan grueso como dos pedazos de vidrio debido a los 0,2 mm de hueco evacuado. El control de calidad del acristalamiento de vacío fue realizado regularmente usando un aparato de placa térmica de reserva y la técnica transitoria. Cuando las muestras son hechas a través de un proceso de alta temperatura, no hay cambios en la presión del acristalamiento de vacío durante hasta una década.

Referencias

[1] S. J. Robinson and R. E. Collins, ISES Solar

World Congress, International Solar Energy

Society, Kobe, Japan (1989).

[2] F. Rosebury, Handbook of Electron Tube and

Vacuum Techniques, Addison-Wesley, Reading,

MA (1965).

[3] N. Ng and R. E. Collins, Evacuation and

outgassing of vacuum glazing, J. of Vacuum

Science and Technology A, 18, 2549 (2000)

[4] C.J. Dey, T.M. Simko, R.E. Collins and Q-C.

Zhang. Rev. Sci. Instr. 69, 2939 (1998).

[5] G.M. Turner and R.E. Collins. Int. J. Heat Mass

Transfer 40, 1437 (1997).

[6] M. Lenzen and R. E. Collins, J. Vac. Sci.

Technol. A 17, 1002 (1999).

Fuente: Glass Performance Days 2007