CN101738414A - 加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结构简单、成本低廉、操作方便、测试结果准确的加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，有密封的真空腔体，抽真空管与真空腔体内相通，在真空腔体上面的封盖上固定有波纹管，波纹管内置有绝热压力棒，绝热压力棒上端与波纹管相接、下端穿过封盖置入真空腔体内并与压板相接，在压板的下方设有冷腔，冷腔的上面为冷板，冷腔下端与低温液体输入管相通、上端与气体排出管相通，气体排出管的端头穿出真空腔体，在所述真空腔体上设有导线孔。

Description

加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置

技术领域：

本发明涉及一种泡沫类绝热材料低温导热系数的测试装置，尤其是结构简单、成本低廉、操作方便、测试结果准确的加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置。

背景技术：

泡沫类绝热材料已被广泛应用于低温领域，如应用于液化天然气的运输管线、液化天然气船和其它低温液体的储存和运输等，应用于航天工业低温液体推进剂的保温层和外太空低温环境的绝热设计等。泡沫类绝热材料的低温热导率是一项重要的热物理性质指标，是进行绝热计算必不可少的热力学参数。

现有的材料热导率测试方法大体分为两种，即非稳态法和稳态法。非稳态法是使试样的某一部分温度做突然的或周期的变化，而在试样的另一部分测量温度随时间的变化速率，进而直接测出试样的导温系数或热扩散率α，再通过材料的比热和密度求出热导率。由于此类测试仪器昂贵，导致非稳态法难以应用，因此目前普遍使用的是稳态法。

稳态法中常采用的是轴向热流法，即根据傅利叶定律，在泡沫类绝热材料试样的冷面和热面维持一定的温度T₁和T₂，形成一个温度梯度，同时保证其轴向稳定的热流Q(杜绝其它各方向的热损失)，由下式计算材料的导热系数：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{Q\δ}}{A(T_1-T_2)}$

其中A为试样的有效传热面积，δ为试样的厚度。

在实现轴向热流法测试时，通常都设置了一个实验体，实验体从上至下分别为压板、绝热板、底炉、上均热板、主炉(四周布置保护环炉)、下均热板、试样及冷板，底炉和主炉是采用无感双线绕法将漆包康铜丝均匀地绕在云母片上，采用稳压电源对康铜丝通电，将电能转化为热能，形成加热体；均热板和冷板都采用表面抛光的黄铜薄板，表面刻有凹槽用来安装感温元件(如热电偶等)。在实验过程中采用温差热电堆控制温差，保证主炉与环炉之间、主炉与底炉之间的温差小于0.2℃，以最大限度消除主炉向上及径向的热损失。测试时通过均布于冷板和均热板上的三支热电偶的平均温度分别得到冷热板的温度(T1、T2)，通过电压表测量主炉炉丝上的电压，在回路上设置标准电阻，测其两端电压，通过计算即得加热热流Q。在试样有效传热面积A和试样厚度δ一定的条件下，即可测出试样材料的导热系数λ。

但是，由于现有测试装置难以实现冷板真正处于液氮温度甚至更低温度状态，故上述热导率测试方法基本上都用于常温至高温温度区间。如国家标准GB/T3139-2005中的采用稳态法中的防护热板法进行纤维增强塑料热导率的测试，热板温度不超过260℃，冷板温度从室温升至所需温度。而将上述方法应用于低温的极少，中国专利号为200820074919.5的实用新型专利介绍了带锁紧机构的导热系数低温测定装置，但是并没有公开如何解决低温下气体对流热损及试样表面结霜问题。另外，在文献《聚氨酯硬质泡沫塑料低温热导率》中也介绍了一种低温测试方法，虽然有效地解决了热损问题及试样与冷热板的接触问题，但是整个实验单元需浸入到低温液体中，由于较大的热惰性，冷却过程中需要耗费大量价格昂贵的液氦或者液氢等低温液体，成本较高。

无论非稳态法还是稳态法都是对自然状态下的材料进行测试，然而泡沫类绝热材料内部是由无数个弯曲环绕的微小闭孔结构组成，封闭泡孔孔壁非常薄(一般只有几个微米)，泡孔之间由骨架连接，在低温应用时寸泡沫类绝热材料有时会受到外加载荷的作用，这种外加载荷改变了泡沫微孔结构中的泡孔壁和泡孔骨架的结构形态，造成其导热系数发生变化。可是迄今为止，还没有关于对加载状态下的泡沫类绝热材料低温热导率进行测试的方法及装置。

发明内容：

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供一种结构简单、成本低廉、操作方便、测试结果准确的加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置。

本发明的技术解决方案是：一种加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，其特征在于：有密封的真空腔体，抽真空管与真空腔体内相通，在真空腔体上面的封盖上固定有波纹管，波纹管内置有绝热压力棒，绝热压力棒上端与波纹管相接、下端穿过封盖置入真空腔体内并与压板相接，在压板的下方设有冷腔，冷腔的上面为冷板，冷腔下端与低温液体输入管相通、上端与气体排出管相通，气体排出管的端头穿出真空腔体，在所述真空腔体上设有导线孔。

在所述真空腔体的侧壁内侧设有竖直的防热辐射屏。

在所述压板下方的冷板上固定有竖直设置的实验体绝热围板。

在所述冷腔内设有温度传感器，在所述低温液体输入管上设有电控阀门，温度传感器、电控阀门均与温度控制装置相接。

所述冷腔横截面为凹形，所述冷板位于凹形的凹槽底部，所述温度传感器置于凹槽一侧。

本发明是将冷板与冷腔设置为一体，冷腔由低温液体(液氦、液氢等)进行冷却，测试时只要将实验体(单元)的试样置于冷板上、实验体的绝热板置于压板下，就可以根据傅利叶定律测试在加载状态下的泡沫类绝热材料低温热导率。无需将整个实验单元浸入到低温液体中，减少了冷却过程中液氦或者液氢等低温液体的耗费量，降低了测试成本。本发明结构简单、测试操作方便，真空腔内的真空环境消除了空气自然对流而引起的热损失，也防止了试样在低温下表面结霜的现象，尤其是设置了防热辐射板及绝热围板等，可有效杜绝除轴向外的热损失，测试结果准确。

附图说明：

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的应用效果图。

具体实施方式：

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示：有密封的真空腔体1，可将整个真空腔体1内外表面进行抛光处理，以起到防热辐射屏的作用，在所述真空腔体上设有导线孔11，与真空腔体1内相通有抽真空管2，在真空腔体1上面的封盖(法兰)3上焊接有波纹管4，波纹管4内置有由玻璃钢等隔热材料制成的绝热压力棒5，绝热压力棒5上端与波纹管4相接、下端穿过封盖3置入真空腔体1内并与压板6相接，在压板6的下方设有冷腔7，冷腔7的上面为冷板8，冷腔7下端与低温液体输入管9相通、上端与气体排出管10相通，气体排出管10的端头穿出真空腔体1，冷腔7下面与真空腔体1之间采用玻璃钢支撑。为了进一步防止除轴向外的热损失，在所述真空腔体1的侧壁内侧设有竖直的防热辐射屏12，在所述压板6下方的冷板8上固定有竖直设置的实验体绝热围板13；为了保证冷腔7内温度恒定(温差小于0.2℃)，在所述冷腔内设有温度传感器14，在所述低温液体输入管9上设置电控阀门(电磁阀)15，温度传感器14、电控阀门15均与温度控制装置相接。冷腔7的横截面最好为凹形，将冷板8位于凹形的凹槽底部，所述温度传感器14置于凹槽一侧，以便冷腔7内的冷却液体始终与冷板8接触。

测试时如图2所示：按照现有技术中实验体的结构，将试样置于实验体绝热围板13内的冷板8上，并从下向上依次放置下均热板、主炉(四周布置保护环炉)、上均热板、底炉及绝热板，并按照现有技术的方法设置感温元件(热电偶)、加热电源线、温差热电堆等，同时将温度传感器14设置在冷腔7内，温度传感器14的导线穿过冷腔7(密封处理)后与其他导线会合，经过专用真空引线接头从导线孔11引出后与相应的温度表及电源相接，之后，采用铟丝26密封真空腔体1的封盖3(法兰)缝隙。通过启动与抽真空管2相接的真空泵，当真空腔抽至10^-2Pa后，真空泵继续运转的同时启动与低温液体输入管9相接的自增压系统向冷腔7输入冷却介质(液氦、液氢、减压液氮、液氮、干冰或冰水混合物等)，供液时要慢慢预冷，逐渐加大供给量，以免装置在温降速率过大时受损，当冷却介质采用液氦和液氢时，冷腔7的外层最好有保护装置以减小低温液体耗量，冷却介质遇热蒸发的气体从气体排出管10排出。当温度传感器14检测冷腔7上部的温度接近低温液体温度时，通过温度控制装置控制电磁阀15停止供液，维持冷面(冷板)温度不变。启动加热电源使主炉、环炉及底炉加热，加热电源通过稳压器调节至合适电压，当主、环炉，主、底炉之间的温差稳定在0.2以内且试样冷热面温度恒定时，采用压力机构(杠杆机构、液压机构、电机传动机构等)对波纹管4加载，波纹管4即带动与之相连的绝热压力棒5、压板6向下施压，压力传递至试样。此时读出冷热面温度值(T1、T2)，按照现有技术的方法计算加热热流Q，测量试样的有效传热面积A和试样厚度δ，采用不同的低温液体(从液氦到冰水混合物)，即可得到低温至常温泡沫材料在加载状态下的导热系数λ。

试样上所承受的实际压力可以采用在试样上设置应变片或者应力传感器测量，也可以用压力机构所施加的压力值与补偿压力值(通过计算得到)之和作为试样上的实际受力值。

Claims (5)

1.一种加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，其特征在于：有密封的真空腔体(1)，抽真空管(2)与真空腔体(1)内相通，在真空腔体(1)上面的封盖(3)上固定有波纹管(4)，波纹管(4)内置有绝热压力棒(5)，绝热压力棒(5)上端与波纹管(4)相接、下端穿过封盖(3)置入真空腔体(1)内并与压板(6)相接，在压板(6)的下方设有冷腔(7)，冷腔(7)的上面为冷板(8)，冷腔(7)下端与低温液体输入管(9)相通、上端与气体排出管(10)相通，气体排出管(10)的端头穿出真空腔体(1)，在所述真空腔体(1)上设有导线孔(11)。

2.根据权利要求1所述的加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，其特征在于：在所述真空腔体(1)的侧壁内侧设有竖直的防热辐射屏(12)。

3.根据权利要求1或2所述的加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，其特征在于：在所述压板(6)下方的冷板(8)上固定有竖直设置的实验体绝热围板(13)。

4.根据权利要求3所述的加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，其特征在于：在所述冷腔(7)内设有温度传感器(14)，在所述低温液体输入管(9)上设有的电控阀门(15)，温度传感器(14)、电控阀门(15)均与温度控制装置相接。

5.根据权利要求4所述的加载状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，其特征在于：所述冷腔(7)横截面为凹形，所述冷板(8)位于凹形的凹槽底部，所述温度传感器(14)置于凹槽一侧。

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