三層IGP側窗玻璃熱帶雨林氣候防結霧分析與研究

胡桂明，劉厚林，楊國紀

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

雙層IGP(Insulation Glass & Polycarbonate)側窗玻璃是一種新型中空安全玻璃，在國外一些特殊的區域有一定范圍的應用，如在美國、巴西、阿根廷、智利、馬來西亞、菲律賓等國家都有不同程度的應用，其中美國、巴西、阿根廷等國家已廣泛使用。但是在熱帶雨林氣候環境中使用，出現了內部結霧的問題，如圖1所示。經過詳細的分析研究與實驗驗證，雙層IGP側窗玻璃無法滿足熱帶雨林氣候的使用環境。為了解決IPG側窗玻璃在熱帶雨林氣候的使用問題，提出了三層IGP側窗玻璃的設計方案。

圖1 雙層IGP側窗玻璃起霧現象

2 IGP側窗玻璃結構及性能

雙層IGP側窗玻璃結構與普通中空玻璃結構基本一致，結構如圖2所示。IGP側窗玻璃外層為PC(polycarbonate)板，中間層為Ar或其他惰性氣體，內層為安全鋼化玻璃，周邊為間隔條、分子篩和密封膠粘劑。

圖2 雙層IGP側窗玻璃結構

三層IGP側窗玻璃結構為PC加雙層普通中空玻璃的形式，結構如圖3所示。IGP側窗玻璃外層為PC板，中間層為Ar或其他惰性氣體，內層為普通雙層中空玻璃，周邊為間隔條、分子篩和密封粘膠劑。

圖3 三層IGP側窗玻璃結構

三層IGP側窗玻璃比雙層IGP玻璃有更優的隔聲、隔熱性能。而最為主要的特點為最外層PC與最內層玻璃之間的氣體層被中間玻璃分隔為2個獨立的空間，這樣很大程度上減少了最外層PC內表面與其相鄰玻璃表面的溫差，從而減少或避免了結霧的可能性。

3 熱帶雨林氣候特點分析及參數選擇

3.1 熱帶雨林氣候特點

熱帶雨林氣候分布于赤道附近地區，主要分布在南美洲的亞馬遜河流域，中美東部，非洲的剛果河流域、幾內亞灣北岸、馬達加斯加島東部、馬來半島南部、馬來群島、菲律賓群島南部、伊里安島、印度尼西亞、大洋洲的蘇門答臘島至新幾內亞島一帶、澳大利亞的東北部。

這些地方全年高溫多雨，太陽輻射年變化小。一年內各月平均氣溫為24℃～28℃，年溫差一般不超過5℃，尤其是大洋上通常不超過1℃。氣溫日變化比年變化大，日較差可達10℃～15℃。但日最高氣溫很少超過35℃，日最低氣溫很少低于20℃。全年濕度較高，相對濕度最高可達90%以上，晴朗的天氣相對濕度一般在65%左右。

3.2 應用環境調研

為了得到比較準確的環境數據，我司在熱帶雨林氣候運營的列車上進行了調研，對正在運營的列車和靜止的列車側窗玻璃溫度和環境濕度進行了測量，如圖4所示。調研中發現，側窗玻璃起霧發生在晴朗的天氣，下雨天氣雖然相對濕度大，但環境溫度較低，車內外溫差小，側窗玻璃反而不會出現起霧的現象，而且靜止的車輛側窗外表面溫度明顯高于運行的車輛。在晴朗無云的天氣，環境溫度一般不超過35℃，相對濕度不大于67%，車外窗戶表面的溫度不超過45℃，車內溫度不低于23℃，車內玻璃表面溫度不低于26℃。

圖4 應用環境調研

3.3 環境參數的選擇

根據調研數據，選取晴朗天氣的環境數據進行研究，考慮測量偏差和安全余量，選取環境溫度為40℃、環境相對濕度為70%、靜止車輛側窗外表面溫度為50℃、車內溫度23℃作為分析參數。

4 中空玻璃內部結霧原理與結霧條件

4.1 中空玻璃結霧原理

中空玻璃內部進入一定含量的水汽后，如果一側的玻璃溫度低于另一側的溫度，中空玻璃內部的氣體在存在溫度差的情況下，溫度高的區域的氣體密度小于溫度低的區域氣體的密度，在重力作用下，氣體由溫度高的玻璃表面循環流動到溫度低的玻璃表面，當含有水汽的氣體流動到溫度低的玻璃表面時，水汽就可能凝結在溫度低的玻璃表面，形成結霧。原理如圖5所示。

圖5 中空玻璃結霧原理

4.2 中空玻璃結霧條件

在一定的大氣壓下，導致中空玻璃內部結霧的因素有2個：一是中空玻璃內部氣體的相對濕度，二是高低溫玻璃的溫度差。中空玻璃是否會結霧可以在獲得氣體溫度分布的前提下由焓濕圖或焓濕計算軟件進行分析。由于PC具有水汽滲透特性，中空玻璃內部的氣體的相對濕度與車輛外部環境接近，因此，在不改變PC材料水汽滲透性能的前提下，通過減少PC與相鄰玻璃間的溫度差的方式來解決IGP玻璃的結霧問題。

5 三層IGP玻璃內部溫度場分析

根據前面選擇的環境參數，利用ANSYS fluent軟件對兩種結構參數的三層IGP玻璃進行溫度場分析，第一種結構參數如圖6所示，第二種結構參數如圖7所示；第一種結構參數的IGP玻璃溫度場分布如圖8所示，第二種結構參數的IGP玻璃溫度場如圖9所示。

圖6 第一種結構參數IGP玻璃

圖7 第二種結構參數IGP玻璃

圖8 第一種結構參數IGP玻璃溫度場

圖9 第二種結構參數IGP玻璃溫度場

從圖8和圖9中可以看出，第一種結構參數的IGP玻璃中PC側氣體溫度為49.2℃，相鄰玻璃側的氣體溫度為43.91℃，第二種結構參數的IGP玻璃中PC的氣體溫度為49.24℃，相鄰玻璃側的氣體溫度為44.43℃。通過焓濕計算軟件計算玻璃內氣體露點溫度為42℃。因此，兩種結構參數的三層IGP均未達到結霧的條件，可以滿足熱帶雨林氣候的使用要求。

6 試驗與驗證

由于受到安裝空間的限制，僅選取第一種結構參數進行三層IGP玻璃的樣件制作及驗證。整個驗證分兩個階段進行，第一個階段制作實驗室樣件在實驗室里模擬車輛運營環境進行驗證，第二個階段制作實物樣窗安裝到運營的車輛上進行驗證。目前兩個階段的驗證已結束，均未出現起霧的現象。

7 結論與建議

通過對熱帶雨林氣候特點研究與分析，與實際現場調研數據相結合，選取合理的分析參數，并通過ANSYS fluent輔助分析，再通過實驗室樣件驗證和實物裝車驗證，三層IGP側窗可通過對結構參數進行調整來滿足熱帶雨林氣候環境下防結霧性能使用要求。三層IGP結構參數可以根據實際車輛安裝環境進行優化，確保實際產品結構參數的合理性。