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空気層（窓に限らず）はおおむね4センチまでは断熱効果が上がり続けます。
これ以上になると空気層の内部で対流がおこり、断熱効果は逆に下がってきます。
グラフを見るところでは質問者様の言うように、10ｍｍ前後までは空気層に比例して断熱性能が上がります（かなり飛躍的に良くなるようです）10ｍｍ～２５ｍｍくらいまでは徐々にと表現するのが良いかと思います。25～40ｍｍまでは緩慢に断熱性能が上がってきます。
ということで、おおむね12ｍｍまでは断熱性能が空気層の厚さに比例して大きくなるとうことで間違いなさそうですね。
2重サッシの場合でも空気層が出来きたとしてまぁ50ｍｍあったとすると、40ｍｍの空気層よりは性能が悪いけれど空気層がある分ペアガラスのみよりはさらに断熱性能が上がるのは間違いありません。

ちなみにペアガラスとシングルガラスではおよそ2倍程度の断熱性能の差があります。

ペアガラスの中空層の厚さと保温性について、ほぼ12ｍｍまでは厚さに比... - Yahoo!知恵袋 http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1035208350