CN102809581A - 基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，包括真空外罩、盲板端盖法兰、上保护腔、测试腔、下保护腔、背压稳定装置、可控电加热系统、温度与流量传感系统、液氮充注系统、数据采集处理系统、抽真空系统；其中：上、下保护腔起隔绝竖直方向漏热的作用，并通过薄壁钢管，与真空外罩的盲板端盖法兰相连。测试腔与盲板端盖法兰的连接方式采用与保护腔相同的薄壁钢管结构。该装置的绝热材料测试样品可任意更换，能够测量在不同热边界温度下的绝热材料内部温度分布以及储液蒸发速率，通过蒸发速率进一步获得漏热率及材料的表观热导率。

Description

基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种测试真空多层绝热材料性能的装置，尤其涉及一种基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置。

背景技术

随着航空航天、液化天然气、冶金化工等工业的不断发展，低温液体的需求量日益增大，从而推动了对低温液体储存和输送的需求。真空多层绝热技术凭借其优良的性能在低温液体储存领域得到了广泛应用。此外，对于近地轨道推进剂的在轨存储方案，空间天然的高真空环境能有效地消除气体导热和对流引起的热流，而多层绝热中的防辐射屏又能大大降低辐射热流。因此，从理论上来说，使用真空多层绝热可使进入储箱的漏热达到最小，是低温推进剂在轨存储的理想绝热方式。

虽然高真空多层绝热漏热很小，但是其中的热传导方式是复杂的，包含了辐射传热、固体传热、残余气体导热以及对流。很难以一个统一而精确的模型对多层绝热的传热进行计算。目前多层绝热系统的研究方法主要以实验法为主，即使是理论分析也要有相关实验作为对比分析的依据。因此，一套完整准确的多层绝热系统测试装置在该领域内尤为重要。借助其可以进一步研究探讨多层绝热的优化方案，为建立通用的多层绝热理论与实际工程应用提供实验支持。

事实上，现有专利的相当部分，如公开号为CN101936933A的中国专利涉及一种织物防明火绝热性能测试装置，通过在热腔体中产生高温强热流明火火场环境，测量织物正反面温度随暴露时间的变化来分析表征织物的防明火绝热性能和温度隔绝行为。再如中国专利CN102012382A提供了一种真空绝热板导热系数快速测试装置及其方法，对半球形测试装置加热到设定温度，将测试样板平放在半球形实验装置底下，测量样板下表面内半球中心所对应的测点温度；将半球加热功率作为样板热流量，半球底面圆作为测试面积，根据公式求出导热系数。还有中国专利CN101738414A公开一种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，其封盖上置有绝热压力棒，绝热压力棒下端穿过封盖置入真空腔体内并与压板相接对材料进行加载，在压板的下方设有冷腔。进一步检索发现公开号为CN201464399U的中国实用新型专利提供一种柔性材料深冷绝热试验装置用于获得该材料在-160℃～-60℃条件下的绝热性能，但这种装置不提供真空环境，测量的仅是材料在单纯低温环境下的绝热性能，测温范围有限。当前诸多有关绝热测试系统的专利要么测量绝热材料在高温环境下的绝热性能，要么在单纯低温环境下进行测试，且均不涉及真空多层绝热。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种准确有效的测试和检验高真空多层绝热性能的简便测量装置以获得真空多层绝热材料的表观热导率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置。

为实现上述目的，本发明提供的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，包括真空外罩、盲板端盖法兰、上保护腔、测试腔、下保护腔、背压稳定装置、可控电加热系统、温度与流量传感系统、液氮充注系统、数据采集处理系统、抽真空系统；所述上保护腔、测试腔、下保护腔置于所述真空外罩内，所述上保护腔和所述下保护腔之间通过管道实现空间上的连通，并位于所述测试腔的上、下两侧用于隔断所述测试腔在轴向的辐射换热，同时消除在该方向的边界效应；所述背压稳定装置通过橡胶软管与所述测试腔上的薄壁钢管连接；所述可控电加热系统置于所述真空外罩与所述测试腔之间，同时在竖直方向上覆盖所述上保护腔和所述下保护腔；所述可控电加热系统以及温度与流量传感系统均通过航空接头穿舱至真空外罩的外部，电连接相关仪器设备；所述抽真空系统连接到所述真空外罩上。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述上保护腔和所述测试腔均采用薄壁钢管穿透所述盲板端盖法兰至真空外罩外部和杜瓦管连接，以减少从室温环境漏入所述上保护腔和所述测试腔的热量。薄壁钢管与所述盲板端盖法兰之间焊接密封。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述真空外罩采用夹层结构，夹层内布置常规多层绝热材料并抽真空至10-4Pa以尽量减少所述真空外罩内和外界环境之间的热交换。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述真空外罩上固定连接有一个盲板端盖法兰，与所述真空外罩共同构成一个封闭的空腔，密封介质为O型橡胶圈。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述鼓泡器通过硅橡胶软管与所述上保护腔上的薄壁钢管连接，使所述上保护腔中的饱和压力稍高于所述测试腔中的饱和压力，防止实验过程中测试腔中的蒸发气体在流经上保护腔时凝结。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述可控电加热系统包括铝屏、薄膜电加热带及温控仪；所述铝屏外按螺旋状缠绕有所述薄膜电加热带，布置于待测多层绝热材料外侧，作为均匀的热端辐射，在轴向长度上覆盖所述下保护腔、测试腔和上保护腔，以避免在所述测试腔段发生边缘效应；所述温控仪控制加热温度，并根据所述铝屏的温度来调节输出到所述薄膜电加热带的功率从而达到控制所述铝屏温度的目的。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述数据采集与处理系统由多通道数据采集仪和计算机组成，用来记录温度和流量的变化过程；所述计算机上实时进行温度和流量显示，给出各绝热层温度和低温液体蒸发流量数值。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述的背压稳定装置用于克服大气压日夜变化引起的流量波动，由下参考腔、气体流通腔、法兰盖三部分组成；并由O型圈实现其与外界大气压的密封隔离，所述下参考腔与所述气体流通腔之间通过弹性薄膜隔离。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述的温度与流量传感系统分别由铂电阻温度计和气体流量传感器组成，分别用于获得多层绝热材料各处的温度信号和所述测试腔出口的流量信号。

上述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其中，所述的抽真空系统包括分子泵机组，用于将所述真空外罩内的真空度提高到10^-3Pa量级，而在充注液氮后达到10^-4Pa量级，从而消除气体导热和对流的影响。

本发明的绝热材料测试样品可任意更换，能够测量在不同热边界温度下的绝热材料内部温度分布以及储液蒸发速率，通过蒸发速率进一步获得漏热率及材料的表观热导率。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的背压稳定装置结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：真空外罩，上保护腔，测试腔，下保护腔，背压稳定装置，可控电加热系统，温度与流量传感系统，液氮充注系统，数据采集处理系统，抽真空系统，其中：上、下保护腔使用不锈钢管实现空间上的连通，并通过薄壁钢管与真空外罩的盲板端盖法兰相连。测试腔是测试多层绝热性能的主体部分，其与盲板端盖法兰之间的连接管也使用薄壁钢管，同时在该薄壁钢管与上保护腔的交界处贴有铜箔胶带纸，使得外界沿薄壁钢管导入测试腔的热量达到最小。

真空外罩壁采用夹层结构，夹层内布置常规多层绝热材料并抽真空至10^-4Pa量级以尽量减少筒内测试系统和外界环境之间的换热。在真空外罩夹层的外壁面开有抽真空孔，通过该孔对夹层抽真空。

上保护腔、测试腔和下保护腔共同组成了蒸发式量热系统。上下保护腔内都加注液氮用来隔断测试腔在轴向的辐射换热，同时消除在该方向的边界效应。此外，控制上下保护腔的背压使其稍高于测试腔的背压以防止从测试腔蒸发的气体在穿越上保护腔的管道中冷凝，具体采用鼓泡器来控制实现：通过与保护腔相连的鼓泡器增大保护腔内的压力，进而使保护腔气体饱和温度略高于测试腔内饱和温度，使测试腔蒸发气体不能在管道中冷凝。

电加热系统布置于绝热层外侧，作为均匀的热端辐射，铝屏外按螺旋状缠绕有薄膜电加热带。铝屏在轴向覆盖下保护腔、测试腔和上保护腔，避免在测试腔段发生边缘效应。加热温度利用温控仪控制，根据铝屏的温度来调节输出到薄膜电加热带的功率从而达到控制铝屏温度的目的。

背压稳定装置由下参考腔、气体流通腔、法兰盖三部分组成，接于测试腔与流量计之间。下参考腔密封，可认为与大气压隔离。当大气压力降低时，薄膜向上凸起，薄膜与不锈钢管之间的距离减小，气体流经不锈钢口时阻力增大，以此对大气压力的降低进行补偿。反之，气体流经不锈钢口时阻力减小，对大气压力的增大进行抑制。

温度与流量传感系统分别由铂电阻温度计和气体流量传感器组成，分别用于获得绝热层各处的温度信号和测试腔出口的流量信号。

液体充注系统用来控制保护腔和测试腔内的液氮液位，确保保护腔和测试腔内液氮始终处于较高的液位以防止液位过度下降引起腔体侧面温度分布不均，从而影响测试结果。

数据采集与处理系统由多通道数据采集仪和计算机组成，用来记录温度和流量的变化过程。计算机上实时进行温度和流量显示，给出各绝热层温度和低温液体蒸发流量数值。

抽真空系统为分子泵机组，将筒内的真空度提高到10^-3Pa量级(充注液氮后达到10^-4Pa量级)，从而消除气体导热和对流的影响。

如图1所示，本发明的较佳实施例包括：测试腔1、上保护腔2、下保护腔3、上下腔连通管4、测试腔充注管5、保护腔充注管6、薄膜电加热带7、夹层抽真空孔8、真空外罩夹层9、铂电阻温度计10、铝屏11、下筒法兰12、盲板端盖法兰13、真空抽孔14、杜瓦管15、真空测孔16、航空接插件17、紧固螺栓18、真空外罩夹层内绝热层19、铜箔胶带纸20、O型圈21、导线22、待测多层绝热材料23、真空阀24、波纹管25、分子泵26、机械泵27、鼓泡器28、背压稳定装置29、气体流量传感器30、温控仪31、多通道数据采集仪32、计算机33。其中：测试腔1通过测试腔充注管5固定连接在盲板端盖法兰13上。上保护腔2和下保护腔3通过上下腔连通管4相连，并由保护腔充注管6固定连接于盲板端盖法兰13上。盲板端盖法兰13经紧固螺栓18与下筒法兰12连接，其间垫以O型圈21实现密封。薄膜电加热带7螺旋缠绕于铝屏11上，铝屏11置于被测材料的热边界。待测多层绝热材料23置于铝屏与测试腔之间。铂电阻温度计10按具体测试需求，一般由5-10支Pt100温度计组成，用于测量被测材料内部不同位置处的温度。其中一支作为温控仪调节信号，控制薄膜电加热带7的功率输出。其余温度计将采集到的数据通过导线23以及航空接插件17传输到筒外的数据采集与处理系统。

其中，测试腔充注管5与保护腔充注管6采用壁厚为0.5mm的薄壁无缝钢管，减小轴向漏热。

真空泵抽气孔14为KF接口，对外连接分子泵机组。

真空测孔16为KF接口，接真空规管，对筒体内真空度进行测量。

鼓泡器28为利用鼓泡时的微压差增大上下保护腔的背压使其稍高于测试腔的背压，进而使保护腔的饱和温度高于测试腔得饱和温度，以防止从测试腔蒸发的气体在穿越上保护腔的管道中冷凝。

气体流量计30用于测量测试腔内低温液体蒸发率，连同绝热层中铂电阻温度计测量的温度信号一并送入多通道数据采集仪32中，然后由计算机33处理，得出流量和温度随时间变化曲线，作为评价绝热层性能的核心参数。

如图2所示，背压稳定装置29用于克服大气压日夜变化引起的流量波动，背压稳定装置29包括：上接口34、不锈钢管35、薄膜36、下接口37、三通接头38、测试腔接口39、流量计接口40、法兰盖41、O型圈42、法兰端盖43。

其中，薄膜36为弹性薄膜。在大气压力降低时向上凸起，薄膜与不锈钢管35管口之间的距离减小，气体流经不锈钢口时阻力增大，以此对大气压力的降低进行补偿。反之，气体流经不锈钢管35管口时阻力减小，对大气压力的增大进行抑制。

针对上述实施例，具体操作如下：首先将待测多层绝热材料23包覆于测试腔1和保护腔2、3的外部，包覆过程中同时将一批铂电阻温度计10沿厚度方向均匀布置于绝热材料内。再将电加热铝屏11置于待测绝热材料外表面，装进真空腔。

将筒内真空抽至10^-3量级。然后充注低温液体：先充注上保护腔2和下保护腔3，以消除轴向导热对绝热材料测试的影响；再充注测试腔1。整个充注装置通过卡套密封件与杜瓦罐15相连，杜瓦罐中盛有低温液氮，并通过低温流体泵把低温液体注入测试腔1。

开启电加热器及温控仪31使绝热层热边界达到预设值。测量各点温度与液氮蒸发流量。待温度与流量均达到稳定后完成一个工况的测量。通过调节电加热系统温控仪，可得到不同热边界温度下的绝热层温度分布规律和液氮蒸发流量，从而获得待测材料的表观热导率和热流密度，评价绝热系统的性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，包括真空外罩、盲板端盖法兰、上保护腔、测试腔、下保护腔、背压稳定装置、可控电加热系统、温度与流量传感系统、液氮充注系统、数据采集处理系统、抽真空系统；所述上保护腔、测试腔、下保护腔置于所述真空外罩内，所述上保护腔和所述下保护腔之间通过管道实现空间上的连通，并位于所述测试腔的上、下两侧用于隔断所述测试腔在轴向的辐射换热，同时消除在该方向的边界效应；所述背压稳定装置通过橡胶软管与所述测试腔上的薄壁钢管连接；所述可控电加热系统置于所述真空外罩与所述测试腔之间；所述可控电加热系统以及温度与流量传感系统均通过航空接头穿舱至真空外罩的外部，电连接相关仪器设备；所述抽真空系统连接到所述真空外罩上。

2.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述上保护腔和所述测试腔均采用薄壁钢管穿透所述盲板端盖法兰至所述真空外罩外部，以减少从室温环境漏入所述上保护腔和所述测试腔的热量，所述薄壁钢管与所述盲板端盖法兰之间焊接密封。

3.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述真空外罩采用夹层结构，夹层内布置常规多层绝热材料并抽真空至10^-4Pa以尽量减少所述真空外罩内和外界环境之间的热交换。

4.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述真空外罩上固定连接有所述盲板端盖法兰，与所述真空外罩共同构成一个封闭的空腔，密封介质为O型橡胶圈。

5.如权利要求1或2所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，鼓泡器通过硅橡胶软管与所述上保护腔上的薄壁钢管连接，使所述上保护腔中的饱和压力稍高于所述测试腔中的饱和压力，防止实验过程中测试腔中的蒸发气体在流经所述上保护腔时凝结。

6.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述可控电加热系统包括铝屏、薄膜电加热带及温控仪；所述铝屏外按螺旋状缠绕有所述薄膜电加热带，布置于待测多层绝热材料外侧，作为均匀的热端辐射，在轴向长度上覆盖所述下保护腔、测试腔和上保护腔；所述温控仪控制加热温度，与所述铝屏和所述薄膜加热带电相连。

7.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述数据采集与处理系统由多通道数据采集仪和计算机组成，用来记录温度和流量的变化过程；所述计算机上实时进行温度和流量显示，给出各绝热层温度和低温液体蒸发流量数值。

8.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述的背压稳定装置由下参考腔、气体流通腔、法兰盖三部分组成，并由O型圈实现其与外界大气压的密封隔离；所述下参考腔与所述气体流通腔之间通过弹性薄膜隔离。

9.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述的温度与流量传感系统分别由铂电阻温度计和气体流量传感器组成，分别用于获得多层绝热材料各处的温度信号和所述测试腔出口的流量信号。

10.如权利要求1所述的基于热保护法的低温真空多层绝热材料性能测试装置，其特征在于，所述的抽真空系统包括分子泵机组，连接到所述真空外罩上。

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