CN101915783B - 液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪 - Google Patents

Abstract

一种仪器测量技术领域的液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪，包括：真空罩、防护热板、两个液氮容器、三个温度传感器、支撑板、滑动结构、夹紧结构及吊装结构，其中：防护热板位于两个液氮容器之间，夹紧结构设置液氮容器上，液氮容器和防护热板固定在滑动结构上，滑动结构与吊装结构相连，吊装结构固定在真空罩内的上端，防护热板和液氮容器固定在吊装结构上，真空罩焊接在支撑板上。本发明用于液氮温区绝热材料导热系数的测定，将测试部分悬挂在真空罩上，并采用玻璃钢作为隔热材料，减少液氮蒸发；采用抽真空的处理方式，有效减少了空气的导热及对流换热而带来的测量误差。

Description

液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪

技术领域

本发明涉及的是一种仪器测试技术领域的装置，具体是一种液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪。

背景技术

目前，在一些绝热材料的研究、开发、生产及应用过程中，需要准确的测定材料的导热系数。尤其在液氮温区(-196℃)低温液体的贮存与运输已经显得尤为关键，采用导热系数低的绝热材料是降低低温液体在贮存与运输过程中的蒸发率的关键因素之一，也直接关系到低温液体的长距离运输的能力及经济性。但目前对于低温用绝热材料的导热系数测试平台一直没有规范化，现有的测试平台采用的方法以及测试的条件不足以准确的测定绝热材料的导热系数。目前工业及建筑领域中，广泛采用的防护热板测试装置都是基于常温及普冷范围内的应用，主要用于建筑保温材料，管道及设备的保温材料的测试。

防护热板装置是一种基于绝热材料在应用领域的温度范围(-196℃-常温)内，即低温侧温度为液氮温区(-196℃)，常温侧温度为(45℃)条件下测试其导热系数的装置。对于不同的绝热材料导热系数是各不相同的。对于同一材料，导热系数还随着温度、压力、物质的结构和重度因素而异。各种保温材料的导热系数都采用试验的方法测定。稳态防护热板法是根据一维稳态导热过程的基本原理，测定绝热材料导热系数的方法。通过测量通过绝热材料的热流量，传热方向上绝热材料试件的面积及试件两侧的温差来确定导热系数的值。

经对现有技术文献检索发现，中国专利公开号为：CN86101542A，名称为：双试件保护热板高温导热仪，介绍了一种测量非金属固体导热系数或热阻的双试样保护热板高温导热仪，测试温度范围为500K～1000K。加热板采用碳化硅材料，既提高了测试温度又降低了成本；主加热器采用恒壁温交流加热，后恒热流直流加热的方式，提高了测试速度；外侧管状加热器用碳化棒制成；并用微机实现了多路微弱信号的准确采集和处理。但其结构和特点不能用于液氮温区工况下绝热材料的导热系数的测试。

又经检索发现，中国专利申请号为：CN9200620103469.9，名称为：热管平板式导热系数测定仪，其上端设有法兰的杜瓦瓶，杜瓦瓶内悬挂测试装置。将具有均温性能好的平板热管作为导热仪的热冷和热板，布置在试样的上下两侧，维持试样两侧的等温面；并采用对杜瓦瓶抽真空的处理方式，减少了加热量的对流散热损失。但其结构和特点同样不适于用液氮温区条件下绝热材料导热系数的测定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪。本发明通过控制加热板和防护板之间的温差，保证加热板热量传递是一维以提高测试的精度，同时采用输送液氮提供冷板所需的低温。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：真空罩、防护热板、两个液氮容器、两个温度传感器、支撑板、滑动结构、夹紧结构及吊装结构，其中：第一测试试件安装在第一液氮容器与防护热板中间，第二测试试件安装在第二液氮容器与防护热板中间，防护热板位于两个液氮容器之间，夹紧结构的一端设置第一液氮容器上，夹紧结构的另一端设置在第二液氮容器上，液氮容器和防护热板固定在滑动结构上，滑动结构与吊装结构相连，吊装结构固定在真空罩内的上端，防护热板和液氮容器固定在吊装结构上，防护热板、液氮容器、滑动结构、夹紧结构和吊装结构都设置在真空罩内，真空罩焊接在支撑板上，支撑板固定在测试平台上，第一温度传感器设置在第一测试试件上，第二温度传感器设置在第二测试试件上。

所述的防护热板由T2无氧铜制成，防护热板的两面上均设置有凹槽，凹槽内嵌有加热丝。

所述的真空罩由奥氏体304不锈钢制成。

所述的液氮容器由奥氏体304不锈钢制成，液氮容器上设置有液氮输送入口和氮气排气口，液氮容器内装有液氮。

所述的夹紧结构包括：第一压缩弹簧、两个旋紧螺栓和一个螺套，其中：螺套设置在第一压缩弹簧内，螺套的一端穿过第一液氮容器，螺套的另一端穿过第二液氮容器，第一旋紧螺栓设置在螺套的一端，第二旋紧螺栓设置在螺套的另一端。

所述的滑动结构包括：滑杆、三个围裙轴承和三个玻璃钢隔热板，其中：第一玻璃钢隔热板固定在第一液氮容器的下端，第二玻璃刚隔热材料固定在防护热板的下端，第三玻璃钢隔热板固定在第二液氮容器的下端，第一围裙轴承固定在第一玻璃钢隔热板的下端，第二围裙轴承固定在第二玻璃钢隔热板的下端，第三围裙轴承固定在第三玻璃钢隔热板的下端，滑杆分别穿过第一围裙轴承、第二围裙轴承和第三围裙轴承。

所述的吊装结构包括：两个吊架、杆件、第二压缩弹簧、第三压缩弹簧、两个挂钩和两个绝热支架，其中：两个吊架分别焊接在真空罩上部，杆件设置在两个吊架上，两个绝热支架分别固定在杆件上，第一挂钩固定在第一绝热支架上，第二挂钩固定在第二绝热支架上，第二压缩弹簧的一端悬挂在第一挂钩上，第三压缩弹簧的一端悬挂在第二挂钩上，第二压缩弹簧的另一端与吊装结构相连，第三压缩弹簧的另一端与吊装结构相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：可用于液氮温区绝热材料导热系数的测定，通过将测试部分悬挂在真空罩上，并采用玻璃钢作为隔热材料，减少液氮蒸发；采用了抽真空的处理方式，有效的减少了空气的导热及对流换热而带来的测量误差。

附图说明

图1为本发明装置的纵向剖视图；

图2为本发明装置的主视图；

图3为本发明装置的局部剖视图；

其中：1-真空罩、2-第一液氮容器、3-防护热板、4-第二液氮容器、5-支撑板、6-夹紧结构、7-滑动结构、8-吊装结构、9-第一围裙轴承、10-第一玻璃钢隔热板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：真空罩1、第一液氮容器2、防护热板3、第二液氮容器4、两个温度传感器、支撑板5、滑动结构7、夹紧结构6及吊装结构8，其中：第一测试试件安装在第一液氮容器2和防护热板3中间，第二测试试件安装在第二液氮容器4与防护热板3中间，防护热板3位于两个液氮容器之间，夹紧结构6的一端设置第一液氮容器2上，夹紧结构6的另一端设置在第二液氮容器4上，液氮容器和防护热板3固定在滑动结构7上，滑动结构7与吊装结构8相连，吊装结构8固定在真空罩1内的上端，防护热板3和两个液氮容器都固定在吊装结构8上，防护热板3、两个液氮容器、滑动结构7、夹紧结构6和吊装结构8都设置在真空罩1内，真空罩1焊接在支撑板5上，支撑板5固定在测试平台上，真空罩1通过波纹管与真空机相连，第一温度传感器设置在第一测试试件上，第二温度传感器设置在第二测试试件上，温度传感器分别与数据采集仪相连传输温度信息。

所述的防护热板3由T2无氧铜制成，防护热板3的两面上均设置有凹槽，凹槽内嵌有加热丝，本实施例中的防护热板3是直径为300mm的圆形，由于采用不同于其它方形防护热板的布置方式，从而保证了防护热板3测试面温度均匀。

本实施例中防护热板3凹槽中的加热丝采用的是镍铬电加热丝，其直径为0.8mm，外面套有陶瓷套管作为绝缘，通过真空罩1引出，接入功率可调的直流稳压电源。

所述的真空罩1由奥氏体304不锈钢制成，使用时将真空罩1抽真空，使真空度达到10×^-3Pa，真空罩1上部布置接头8个，其中：2个为液氮输送接头，2个是氮气排出接头；其余为传感器航空接头。

所述的液氮容器由奥氏体304不锈钢制成，液氮容器上设置有液氮输送入口和氮气排气口，液氮容器内装有液氮。为保证温度要求，通过向液氮容器注入液氮来保持温度恒定，由于导热引起的蒸发的氮气通过排气接头排出。

所述的夹紧结构6包括：第一压缩弹簧、两个旋紧螺栓和一个螺套，其中：螺套设置在第一压缩弹簧内，螺套的一端穿过第一液氮容器2，螺套的另一端穿过第二液氮容器4，第一旋紧螺栓设置在螺套的一端，第二旋紧螺栓设置在螺套的另一端。本实施例中两个旋紧螺栓分别可以左旋和右旋，其将安装在防护热板3和液氮容器之间的测试件夹紧，夹紧力不超过2.5Kpa，测定可压缩材料时，不需要恒定的压紧力，液氮容器间的间距固定。

所述的滑动结构7包括：滑杆、三个围裙轴承和三个玻璃钢隔热板，其中：第一玻璃钢隔热板10固定在第一液氮容器2的下端，第二玻璃刚隔热材料固定在防护热板3的下端，第三玻璃钢隔热板固定在第二液氮容器4的下端，第一围裙轴承9固定在第一玻璃钢隔热板10的下端，第二围裙轴承固定在第二玻璃钢隔热板的下端，第三围裙轴承固定在第三玻璃钢隔热板的下端，滑杆分别穿过第一围裙轴承9、第二围裙轴承和第三围裙轴承。本实施例中防护热板3和液氮容器通过螺栓固定在滑动结构7上，防护热板3和液氮容器可在滑杆上自由滑动，以方便试件的安装和拆卸。

所述的吊装结构8包括：两个吊架、杆件、第二压缩弹簧、第三压缩弹簧、两个螺栓、两个挂钩和两个绝热支架，其中：两个吊架分别焊接在真空罩1上部，杆件设置在两个吊架上，第一螺栓固定在杆件的一端，第二螺栓固定在杆件的另一端，通过两个螺栓将两个绝热支架分别固定在杆件上，第一挂钩通过第一螺栓固定在第一绝热支架上，第二挂钩通过第二螺栓固定在第二绝热支架上，第二压缩弹簧的一端悬挂在第一挂钩上，第三压缩弹簧的一端悬挂在第二挂钩上，第二压缩弹簧的另一端与吊装结构8相连，第三压缩弹簧的另一端与吊装结构8相连。

本实施例的工作过程：将被测试件放置在防护热板3与液氮容器中间并夹紧，保证测试试件紧密接触，以减少接触热阻。开启真空机组使真空罩1的真空度达到10×^-3Pa，调整防护热板3输入功率，向液氮容器输入液氮。当防护热板3温度满足要求并且稳定时，通过与数据采集仪相连的温度传感器采集液氮容器侧试件表面温度和防护热板3侧试件表面温度数据，并且根据傅里叶定律计算绝热材料的导热系数，试验完成后，关闭真空机。

本实施例的工作原理：该装置基于傅里叶定律，当试件两面分别处于液氮温区(-196℃)和常温(45℃)时，通过测量试件有效传热面积的热流量及试件两侧温差和厚度，计算其导热系数。热流量是通过嵌入防护热板3的电加热丝得到，通过测量输入防护热板3的功率确定通过试件的热流量，加热的功率等于通过试件的热流量；液氮温区通过向液氮容器内输送液氮来实现。通过测量与液氮容器侧接触的试件的温度和防护热板3侧接触的试件的温度；厚度的测量通过卡尺测量；面积测量通过测量试件直径来确定。

绝热材料导热系数的测定是根据一维条件下傅里叶定律，公式如下：

$Q=\mathrm{\λA}\frac{\mathrm{\ΔT}}{L},$

其中：Q-传递给测试试件的热量(单位：W)；λ-绝热材料的导热系数(单位：W/m·K)；A-测试试件面积(单位：m²)；ΔT-测试试件两侧温差(单位：K)；L-试件厚度(单位：m)。

由于本实施例采用双试件模式防护热板装置，由此可得：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q}{A[(\mathrm{\Δ}{T}_1/L_1)+(\mathrm{\Δ}{T}_1/L_2)]}.$

当两个测试试件厚度相同，则导热系数可表示为：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{QL}}{2\mathrm{A\ΔT}}.$

本实施例的具体优点：(1)采用真空结构消除空气对流换热及导热，减少测量误差及液氮消耗的量。(2)采用了合理的滑动结构7方便试件的安装与拆卸。(3)采用了玻璃钢作为隔热材料减少冷桥的产生，大大减少液氮的蒸发量。(4)采用了加热板凹槽结构，能保证测试面温度均匀稳定。(5)采用了压缩弹簧将整个测试装置悬挂在吊装结构8上，大大减少了由导热引起的热传递。

Claims (3)

1.一种液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪，包括：真空罩、防护热板、两个液氮容器、两个温度传感器、支撑板、滑动结构、夹紧结构及吊装结构，其特征在于，第一测试试件安装在第一液氮容器与防护热板中间，第二测试试件安装在第二液氮容器与防护热板中间，防护热板位于两个液氮容器之间，夹紧结构的一端设置第一液氮容器上，夹紧结构的另一端设置在第二液氮容器上，液氮容器和防护热板固定在滑动结构上，滑动结构与吊装结构相连，吊装结构固定在真空罩内的上端，防护热板和液氮容器固定在吊装结构上，防护热板、温度传感器、液氮容器、滑动结构、夹紧结构和吊装结构都设置在真空罩内，真空罩焊接在支撑板上，支撑板固定在测试平台上，第一温度传感器设置在第一测试试件上，第二温度传感器设置在第二测试试件上；其中，

所述的夹紧结构包括：第一压缩弹簧、两个旋紧螺栓和一个螺套，其中：螺套设置在第一压缩弹簧内，螺套的一端穿过第一液氮容器，螺套的另一端穿过第二液氮容器，第一旋紧螺栓设置在螺套的一端，第二旋紧螺栓设置在螺套的另一端；

所述的滑动结构包括：滑杆、三个围裙轴承和三个玻璃钢隔热板，其中：第一玻璃钢隔热板固定在第一液氮容器的下端，第二玻璃刚隔热材料固定在防护热板的下端，第三玻璃钢隔热板固定在第二液氮容器的下端，第一围裙轴承固定在第一玻璃钢隔热板的下端，第二围裙轴承固定在第二玻璃钢隔热板的下端，第三围裙轴承固定在第三玻璃钢隔热板的下端，滑杆分别穿过第一围裙轴承、第二围裙轴承和第三围裙轴承；

所述的吊装结构包括：两个吊架、杆件、第二压缩弹簧、第三压缩弹簧、两个挂钩和两个绝热支架，其中：两个吊架分别焊接在真空罩上部，杆件设置在两个吊架上，两个绝热支架分别固定在杆件上，第一挂钩固定在第一绝热支架上，第二挂钩固定在第二绝热支架上，第二压缩弹簧的一端悬挂在第一挂钩上，第三压缩弹簧的一端悬挂在第二挂钩上，第二压缩弹簧的另一端与吊装结构相连，第三压缩弹簧的另一端与吊装结构相连。

2.根据权利要求1所述的液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪，其特征是，所述的防护热板两面上均设置有凹槽，凹槽内嵌有加热丝。

3.根据权利要求1所述的液氮温区用双试件防护热板导热系数测定仪，其特征是，所述的液氮容器上设置有液氮输送入口和氮气排气口，液氮容器内装有液氮。

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