CN106248730A - 用于绝热材料性能检测的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于绝热材料性能检测的测试装置，包括安装框架、固定在安装框架上的外筒、设于外筒内的内胆、与外筒连接的抽真空单元以及数据采集单元，所述安装框架还安装有用于实现内胆升降和水平移动的升降旋转机构，所述升降旋转机构包括：升降杆，该升降杆顶部设有用于与内胆连接的起吊臂；用于驱动升降杆上下升降的升降驱动机构；以及在升降杆上升到位后驱动起吊臂转动的摆动机构。本发明采用升降旋转机构，实现了内胆的自动升降和水平位置的调整，不需要人力干预，降低了劳动强度；本发明在外筒外壁设置盘管加热机构，保证了控温精度。本发明采用分子泵和涡旋干泵的无油真空系统组合，彻底保证真空环境清洁无油。

Description

用于绝热材料性能检测的测试装置

技术领域

本发明涉及低温绝热材料，特别是涉及一种带真空的绝热材料性能检测的测试装置。

背景技术

真空多层绝热(Multilayer Insulation，MLI)于1951年由瑞典的Peterson首次研制成功，是由铝箔/镀铝薄膜和具有低热导率间隔材料复合而成，或用褶皱的单/双面镀铝薄膜复合而成，是目前世界上公认的在高真空下具有低热导率的绝热材料，被称之为“超级绝热”。

衡量绝热材料绝热性能优劣主要有以下指标：表观导热系数、比热流与静态蒸发率。表观导热系数是指绝热系统在导热、对流和辐射等多种传热方式稳定传热条件下，在单位时间、规定真空度、规定温差下通过单位厚度的绝热材料传递的热量，单位为W/(m·K)。比热流即为通过绝热材料单位面积上的热流，其能直观地表示绝热材料的性能，单位为W/m²。静态蒸发率描述的是绝热容器的绝热性能优劣，其从侧面描述了绝热材料绝热性能的优劣，定义为深冷储运设备在额定充满率下，静置达到热平衡后，24小时内自然蒸发损失的深冷液体质量与内容器有效容积下深冷液体质量的百分比，单位为百分比每天(％/d)，一般用于描述较为大型的低温容器的绝热性能。

多层绝热材料由于绝热效果好，重量轻，低污染等特点，已经成为航天器和其他低温工程应用中重要的绝热技术。如，低温液体的储存与运输、航天器输液管道和舱体设备保温。随着气体行业的发展和新能源液化天然气应用以及航空航天事业的发展，多层绝热材料的应用也得到广泛的推广。

测量多层绝热材料性能的方法可以分成两大类：稳态法和非稳态法。其中稳态法中常用的有蒸发量热器和电输入法是广泛使用的。蒸发量热器采用的是蒸发量热法，所谓蒸发量通过测定液化气体的蒸发量来确定通过绝热材料样本的热流，液化气体在一定的温度和压强下的蒸发潜热是已知的。目前蒸发量热器主要由外筒、设置在外筒内的内胆、温度检测单元、注液单元、抽真空机组、真空检测单元、鼓泡器等组成。

申请人在专利文献201510248812.2中，公开了一种多层绝热材料性能测试装置，包括外筒、设置在外筒内的内胆、以及保持内胆外部真空度的真空机组，所述外筒内壁设有安装管，所述内胆外壁设有连接管，所述安装管与连接管之间通过可拆卸结构将内胆与外筒固定；所述真空机组与外筒的抽真空接口直接对接。但是该测试装置存在如下问题：(1)需要取出内胆时，升降机构完成上升动作后，需要人力将内胆推至合适的拆卸位置；需要安装时，也存在同样的问题；导致劳动强度较大；(2)内胆外壁的温度无法精确控制，波动较大，对实验结果影响较大；(3)原测试装置采用分子泵和有油的机械泵结合，无法避免的存在油蒸气污染，大大影响了真空计的使用寿命。

发明内容

本发明提供了一种全自动升降和位置调整的用于绝热材料性能检测的测试装置，降低了测试人员的劳动强度，实用性强。

一种用于绝热材料性能检测的测试装置，包括安装框架、固定在安装框架上的外筒、设于外筒内的内胆、与外筒连接的抽真空单元以及数据采集单元，所述安装框架还安装有用于实现内胆升降和水平移动的升降旋转机构，所述升降旋转机构包括：

升降杆，该升降杆顶部设有用于与内胆连接的起吊臂；

用于驱动升降杆上下升降的升降驱动机构；

以及在升降杆上升到位后驱动起吊臂转动的摆动机构。

采用本发明的技术方案，通过升降旋转机构即可实现内胆位置的调整，全程不需要人力操作，大大降低了人员的劳动强度，同时提高了安装精准度。

本发明中的内胆结构可采用现有的结构，例如可采用专利文献201510248812.2的结构，包括上保护胆，测量胆以及下保护胆等，通过测量胆实现对绝热材料性能的测试。内胆通过可拆卸的连接管结构与外筒的上盖固定。其中起吊臂一般与升降杆垂直设置，形成倒L型的起吊机构。起吊臂上一半可根据需要设置与上盖上配合的固定件，实现对上盖和内胆的固定，从而实现起吊。

作为优选，所述升降驱动机构为步进电机；

所述升降杆包括：

固定有所述起吊臂的上螺杆；

与所述上螺杆底端同轴套嵌设置且相互啮合的下螺杆；

所述下螺杆在所述步进电机驱动下实现转动，进而驱动下螺杆的升降。

作为进一步优选，所述下螺杆顶部为与所述上螺杆套嵌的套筒结构，上螺杆底部插入该套筒结构内，且相互啮合传动。

所述步进电机一般设置在下螺杆底部，实现对下螺杆的驱动。上下螺杆相互套嵌啮合，在完成传动的同时，对上螺杆的升降运动也起到了定位导向的作用。

作为优选，所述上螺杆外壁套设有顶部与上螺杆顶部转动配合的外套筒；所述起吊臂固定在该外套筒顶部；

所述摆动机构包括：

与所述外套筒周向相对固定、轴向滑动设置的转向抱环；

固定在安装框架上的摆臂，摆臂的一端与所述转向抱环枢接；

驱动摆臂动作的摆动驱动机构，该摆动驱动机构与所述摆臂的另一端传动连接。

通过外套筒，方便了转向抱环和摆臂的固定，避免摆动机构对升降杆直接施加转动外力。同时，可通过外套筒实现对升降杆的加强定位，避免升降杆产生晃动，增强其起吊强度。而且，通过外套筒，也可以避免异物进入到上下螺杆内部。

所述摆动驱动机构一般可采用气缸或者电机等，实现自动控制。在升降杆上升到位后，可通过摆动驱动机构驱动转向抱环，进而驱动外套筒转动，最终实现起吊臂的转动。

作为优选，所述外套筒外套设有可轴向滑动且周向固定的安装筒；

所述安装框架上固定有与所述安装筒转动配合且轴向相对固定的轴承座；

所述转向抱环固定在所述安装筒上。

通过设置安装筒，实现了对转向抱环的固定；而且，通过轴承座实现了对外套筒的进一步定位，进而实现了对升降杆和起吊臂的进一步定位。

作为优选，所述外套筒上设有轴向布置的滑槽；

所述安装筒上设有与所述滑槽滑动配合的滑动轴销。

作为优选，所述外筒或内胆外壁设有盘管，外接冷热源机组用于控制外壁温度。使得本发明中内胆温度可控，更加稳定。作为优选，所述外筒外壁设有盘管。

作为优选，所述抽真空单元包括通过挡板阀与外筒的抽真空口对接的分子泵，以及与分子泵气体通道连通的涡旋干泵。作为进一步优选，所述涡旋干泵与外筒内腔之间还设有预抽管路，该管路上设有预抽阀。这样，在分子泵启动前，首先利用机械分子泵对外筒内腔进行预抽，当达到要求后，再关闭预抽管路，开启挡板阀和分子泵，进一步保护分子泵。

作为优选，还包括连接在内胆和数据采集单元之间的鼓泡器，该鼓泡器包括：

用于盛放液体介质的鼓泡腔体，该鼓泡腔体侧壁设有透明观察窗；

底端靠近鼓泡腔体底侧内壁的进气管；

底端靠近鼓泡腔体顶侧内壁的出气管；

用于调整鼓泡腔体内压力的调节管。

采用本发明的鼓泡器，安装方便，密封性更好。其中测量胆和保护胆出气口各连接一个鼓泡器，使得他们之间压力不同，进而改变蒸发温度，防止液体倒流。同时采用鼓泡器，通过其透明观察窗可以观察蒸发气体的速率，同时可以调节出气的温度、湿度，以及控制压强，便于测量。而且对排出的气体起到了冷凝作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明采用升降旋转机构，实现了内胆的自动升降和水平位置的调整，不需要人力干预，降低了劳动强度；

(2)通过采用步进电机驱动，以及上下螺杆相互套嵌啮合的传动方式，保证本发明的升降旋转机构在运行时，稳定性和安全性大大提高，实用性增强。

(3)本发明在外筒或者内胆外壁设置盘管加热机构，内胆外壁温度可在-50℃到100℃可调，控制精度±1℃，均匀性±2℃，进一步保证了多层绝热材料的测试精度。

(4)本发明采用分子泵和涡旋干泵的无油真空系统组合，彻底保证真空环境清洁无油。系统的漏率小于10^-11Pa·m/s，空载极限真空小于10^-5Pa(通入液氮后，温度降低，极限真空更小)。

(5)本发明采用自制的鼓泡器，安装方便，整体美观，保证了测量的稳定性和准确性。

(6)本发明中，整个系统的数据采集和控制可以通过软件来直接操作，以前的仪器的操作都是通过仪器上的开关完成的，保证本发明更加人性化。

附图说明

图1是本发明的用于绝热材料性能检测的测试装置的结构示意图；

图2是本发明的安装框架的结构示意图；

图3是本发明量热器系统的结构示意图；

图4是图3的剖视图；

图5是本发明的升降旋转机构的部分结构示意图；

图6是图5的剖视图；

图7是本发明的鼓泡器的结构示意图；

图8是本发明的量热器的结构示意图；

图9是本发明的气体流量计测量表观热导率试验装置原理图。

具体实施方式

如图1～4所示，一种用于多层绝热材料性能检测的测试装置，包括安装框架1、固定在安装框架1上的外筒2、设于外筒内的内胆3、与外筒连接的抽真空单元4以及数据采集单元，安装框架1还安装有用于实现内胆升降和水平移动的升降旋转机构30，同时还还设有显示屏31。

安装框架1为整个测试装置提供支撑。

外筒2和内胆3的结构可参见申请号为201510248812.2的专利文献，本发明未详细讲解的部分均可参考该专利文献。如图4中所示，作为本发明的一个创新，外筒2(图中(b))或内胆3(图中(a))外壁设有加热盘管5，通过加热盘管5，内胆外壁温度可在-50℃到100℃可调，控制精度±1℃，均匀性±2C，进一步保证了多层绝热材料的测试精度。

如图5和图6所示，作为另一个创新，本发明的升降旋转机构包括外套筒6、升降杆7、起吊臂8、安装筒9、轴承座10、转向抱环11、驱动电机12和固定支架13，上述部件的连接和传动关系如下：

升降杆7包括上螺杆14和下螺杆15；上螺杆14外壁设有传动螺纹。下螺杆15顶部为与上螺杆14套嵌的套筒结构，套筒结构内壁设有与上螺杆14啮合的传动螺纹。上螺杆底端插入下螺杆内切通过相互啮合的螺纹实现传动，将下螺杆的转动位移转化为上螺杆的升降直线位移，从而实现升降杆的升降运动。下螺杆15底部通过轴承结构与固定支架13固定，固定支架13固定在支撑框架1上，实现对升降杆的支撑定位。下螺杆15底部与驱动电机12的输出齿轮啮合传动。驱动电机12提供升降杆的原始驱动力，通过下螺杆传动值上螺杆，进而传动至起吊臂，最终实现对内胆的升降和移位。

上螺杆14外同轴套设有外套筒6，外套筒6顶端通过轴承结构与上螺杆14安装定位，外套筒6可相对上螺杆14自由转动。外套筒6上固定有所述的起吊臂8，起吊臂8与上螺杆轴向垂直设置。起吊臂8上设有与外筒顶盖固定的起吊件，比如法兰盘结构、起吊钩等。

外套筒6外套设有可轴向滑动且周向固定的安装筒9；安装筒9中部为径向向外凸起的定位部17。安装框架1上固定有轴承座10；安装筒9通过定位部17与轴承座10实现转动配合和轴向相对固定，两者之间通过轴承件传动。外套筒上设有轴向布置的滑槽16，安装筒9通过一段插入滑槽16内的轴销实现安装筒9与外套筒的周向定位。

安装筒9底部外壁固定有转向抱环11。转向抱环11具有环形的抱紧部，套设在安装筒上，通过螺栓或者销钉等实现与安装筒之间的固定。抱紧部的外壁固定有铰接部18。支撑框架1上固定有摆臂安装座19，用于固定摆臂和摆臂的驱动机构，比如可以是电机或者是气缸等。摆臂的自由端与转向抱环枢接，另一端受驱动机构驱动。

作为另外一个创新，本发明的真空单元采用无油的分子泵-涡旋干泵组合，彻底避免了油污污染。即抽真空单元包括通过挡板阀28与外筒对接的分子泵29，以及与分子泵29气体通道连通的涡旋干泵30。

参考图7，还包括连接在内胆和数据采集单元之间的鼓泡器(图1中省略)，该鼓泡器包括用于盛放液体介质的鼓泡腔体20，该鼓泡腔体侧壁设有透明观察窗21；鼓泡腔体顶部设有底端靠近鼓泡腔体底侧内壁的进气管22、底端靠近鼓泡腔体顶侧内壁的出气管23以及用于调整鼓泡腔体内压力的调节管24。出气管23、进气管22均设有接头结构，便于与保护胆和测量胆的出气口导通。

上面是本发明的主要改进点，其余未详细描述的结构均可参考现有的专利文献。

多层绝热材料测量平台可分为两种：一种是针对材料试样的圆柱型量热器，其在测量容器的上下表面各有一个保护容器(即上、下保护胆)，测量容积较小(一般小于50L)，由于其上下保护容器的存在，从而消除了来自圆柱形测量容器上下两个表面的传热。当系统达到稳态之后，利用低温液体的蒸发量可计算出(即测量胆)通过测量筒圆柱表面的漏热量，最后计算得到材料试样的表观热导率与比热流。

其中，表观热导率计算公式如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q\·ln\frac{r+\mathrm{\δ}}{r}}{2\mathrm{\π}l(T_2-T_1)}---\left(1\right)$

式中：

λ为表观导热系数，单位为W/(m·K)；

Q为测量容器的漏热量，单位为W；

T₂为稳态下的热壁温度，单位为K；

T₁代为稳态下的冷壁温度，单位为K；

r为测量容器的外半径，单位为m；

δ为试样的厚度，单位为m，可以直接测量得到；

l代表测量容器的长度，单位为m。

比热流计算公式如下：

$q=\frac{Q}{A}---\left(2\right)$

式中：

q为通过绝热材料的比热流，单位为W/m²；

Q为测量容器的漏热量，单位为W；

A为热流通过的面积，单位为m²。

另一种测量平台主要是研究较大容积(大于500L)的绝热技术，此类测量平台真空夹层中只有一个内容器，系统漏热不仅要考虑来自上下封头上的漏热，还应考虑容积支撑结构上的漏热，以及绝热材料各连接处的漏热，因此此类漏热计算就显得非常复杂，其测试结果与大型低温容器实际应用场合较为接近。

由于大容器外壁与内容器壁面之间的传热类似于平板之间的传热，所以其表观导热系数的计算公式简化为：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q}{A}\·\frac{\mathrm{\δ}}{T_2-T_1}---\left(3\right)$

式中：

λ为表观导热系数，单位为W/(m·K)；

Q为测量容器的漏热量，单位为W；

T₂为稳态下的热壁温度；

T₁为稳态下的冷壁温度；

δ为试样的厚度，单位为m；

比热流q计算公式同式(2)，值得注意的是式中A的计算应加上容器的两个封头的表面积。

前一种量热器容积较小，可称为理论试验平台，也就是本发明所采用的测试方法；后者量热器容积较大，可称为工业化试验平台。目前，前者绝热性能衡量指标为比热流和表观热导率，后者的衡量指标为比热流和静态蒸发率。

本发明基于液氮蒸发率的多层绝热样品测试实验台，该系统主要由量热器系统(包括升降旋转机构、外筒以及内部部件)、高真空系统(包括分子泵和-涡旋干泵)、测量系统和辅助系统四部分组成，如图1所示(未包含测量系统)。经过这一年的努力，随着对这项研究工作认识程度的深入，经历了两轮大的修改和若干小的调整，目前该系统可实现真空1.5×10^-5Pa，其中1×10^-3Pa～1×10⁵Pa真空范围内可实现千分之二精度的真空测量要求，样品室具备自由更换的条件，同时测量可满足数据的自动化采集。

1)量热器系统

量热器的结构如图8所示，外筒2采用奥氏体不锈钢304制成，内径316mm，壁厚5mm，内外表面电解抛光，漏率小于10^-11Pa·m/s。内胆3采用外径130mm(国标)不锈钢管制成，壁厚1.5mm，外表面镜面抛光。上保护胆25长度450mm，测量胆26长度380mm，下保护胆27长度150mm。各胆之间间距3mm，整个测量胆(或者内胆)的换热面积为0.1516m²，测试容积为4.8137L。

真空罐(即外筒2)上盖采用氟胶圈(FKM)密封，与量热管(即内胆3)连接采用可拆卸的接口，可以快速更换量热管，由于氟胶圈可以重复使用，所以可以节省准备时间和成本。

为了便于测试样品更换的方便，量热器内胆在保护胆和测量胆的管子上设置了可拆接口，通过CF16接口连接。而且为了消除管子在连接过程中的应力集中，连接测量胆的管子接口上还设置了波纹管。

量热器外筒壁上布置有抽真空接口，为了获取更高的真空度，卧式分子泵直接从外筒壁侧面通过挡板阀对接腔体(如图8所示，在量热器上保护胆的外侧，图1中，真空接口设置在靠近底部的位置，可根据实际需要调整和选择)。抽气口直径150mm，真空系统采用安捷伦真空TV-701分子泵和涡旋干泵的无油真空系统组合。彻底保证真空环境清洁无油。系统的漏率小于10^-11Pa·m/s，空载极限真空小于10^-5Pa(通入液氮后，温度降低，极限真空更小)。

外筒2上放置10个真空规接口，分别为5个薄膜电容规，1个全量程真空规，其余备用。国产电离规管和电阻规可用于相互比对并且可做为备用规管。量热器上法兰处预留了4只高真空引线(10芯)接头，可用于满足温度测量或其他信号的采集。

为了能获得稳定可调的真空范围，在外筒2上半段设置了一个针阀，用于控制放气速率从而改变外筒2内真空度，从而得到不同真空度下多层绝热材料的表观热导率数值。也就是说，在分子泵开启的条件下，通过调节针阀，可以获得1.5×10^-5Pa～1×10^-1Pa的真空范围；在分子泵关闭的条件下，通过调节针阀，可以获得1×10^-1Pa～1×10⁴Pa的真空范围。

外筒顶板采用电机驱动提升和下降，方便操作。台面支脚采用铝型材方管框架结构，整个台面采用钢板喷塑处理，上表面敷设不锈钢板，四面均用活动门将台面框架密封起来，外形美观大方。

2)高真空系统

由于本系统的特殊性，需要考虑到无任何气体排放以及不需要供水。常用的真空泵无法满足要求，因此真空系统采用安捷伦的SH-110涡旋干泵、以及KYKY的分子泵FF63-70组成，以使得量热器工作在优于10^-3Pa的高真空下。

由于真空度对于绝热性能有着显著的影响，精确测准真空是本系统的关键。从文献资料来看，拐点一般出现在10^-2～10^-3Pa之间，因此，能测准1×10^-3Pa～1×10⁵Pa是该量热器的关键。

电阻真空规管采用经过稳定化处理，热容量极小的热丝作为真空敏感元件，其可测范围为1×10⁵Pa～1×10^-1Pa，有效测量范围为2.5×10³Pa～5.0×10^-1Pa。测量精度±25％(3×10³Pa～1×10^-1Pa)。

电离规利用阴极发射的电子流电离气体，所产生的离子流与所处真空度相关的原理来测量真空度。其可测范围为4Pa～1×10^-5Pa，有效测量范围为4Pa～5.0×10^-5Pa，测量精度在10^-2Pa附近为±20％。

电容式薄膜真空计由电容式薄膜规管、测量电桥电路、直流补偿电源、低频振荡器、低频放大器、相敏检波器和指示仪表等组成。电容式薄膜规管的中间装着一张金属弹性膜片，在膜片的一侧装有一个固定电极，当膜片两侧的压差为零时，固定电极与膜片形成一个静态电容C₀。金属弹性膜片将薄膜真空规管隔离成两个室，分别为接被测真空系统的测量室和接高真空系统的参考压力室。在这两个室的连通管道上设置一个高真空阀门。测量时，先用高真空抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参考压力。同时调节测量电桥电路，使之平衡。然后测量室接通被测真空系统。由于规管中的压力差，膜片发生应变引起电容C₀改变，破坏了测量电桥电路的平衡，指示仪表就会有相应的显示，因此该类真空计具有较高的真空测量精度。

为此，通过上面的分析，我们选用INFICON薄膜电容规5个，分别是0.01Torr、0.1Torr、1Torr、10Tor、100Torr以及1000Torr；同时，选用INFICON公司的复合规BPG400，其量程范围在5×10^-8Pa～大气压，在5×10^-10Pa-10⁴Pa范围内，其测量精度为±15％，其它范围测量精度为±50％。同时，还安装了成都正华的电离规ZJ-27。也就是说，在所需要特别关注的1×10^-3Pa～1×10⁵Pa的真空范围内，有来自薄膜电容规的高精度数据来保障，复合规以参考；在优于1×10^-3Pa时，有复合规和电离规的数据来相互验证。

3)控制和数据采集系统

控制和数据采集系统主要是基于LABView软件开发针对实验装置的操作和数据采集的程序。

控制系统主要是通过凌华科技PCI-7230的数字I/O卡来控制涡旋干泵，分子泵，以及预抽阀，前级阀，插拔阀，通过程序直接控制仪器。通过程序，对仪器和开关进行互锁，保护仪器。

数据采集系统主要包括气体流量采集系统、压力采集系统与温度采集系统组成。压力采集主要通过Inficon的真空计和VGC503真空控制器连接，可以直接读取真空数值，通过VGC503和电脑连接，通过labview程序来读取真空。

目前，国内外实验平台主要采用气体质量流量计或湿式气体流量计测量蒸发的液氮气体流量。气体质量流量计既可进行气体流量计量工作，也可用于过程控制领域，而且无须温压补偿，即可直接测出流体的质量流量。还拥有没有可动部件，压力损失小，量程比宽，响应时间快，精度高，可靠性高，安装简单，操作方便等优点，所以目前国内测量气体流量大部分使用气体质量流量计。本文选用MKS的气体质量流量计2个，其测试范围为0～5L/min，以及0～200L/min，精度为满量程的±1％。

温度计通过LabVIEW软件相连进行温度的采集与记录，更直观准确的得到内外壁温度，从而得到更准确的表观热导率计算值。温度测量可采用热电偶温度计或是铂电阻温度计，本发明中的实验平台温度采集使用PT-100铂电阻温度计，分别布置在上下保护容器与测量容器的内外侧，铂电阻温度计的精度为0.1K，采用四线法连接，利用Keithly 2700型数字万用表测量电阻信号，从而通过LabVIEW软件进行温度采集与记录。

4)辅助系统

辅助系统包含检漏和液氮供应以及恒温系统。

检漏仪选用中科科仪ZQJ-542型检漏仪，其主要由分子泵、质谱室、组合阀体，机械泵以及控制电路板等组成。其检漏范围为5×10^-12～1Pa·m³/s。试验前需对整个系统进行检漏，确保系统的漏放气速率符合标准。外筒顶部位置设置有捡漏阀31。

液氮供应系统包含两个液氮储罐，一个是高压罐，另一个是低压罐。试验中，将低压罐内的液氮加注到量热器的保护胆和测量胆。量热管外层采用油浴保温。通过铜管(即加热盘管5)盘绕铜屏实现外界外径温度隔离。加热盘管5内油浴控温范围-±50℃可调，可控温，控制精度±1℃，均匀性±2℃。

试验原理

当系统漏热达到稳态之后，测量从测量胆内蒸发出的氮气流量V与冷、热壁的温度T_c与T_h，结合实测得到的多层绝热材料缠绕厚度δ、气体流量计出口处氮气温度T₁、压力P₁，计算求得该系统下高真空多层绝热用材料的表观导热系数λ与比热流q，测试原理如图9。

按式(4)与(5)分别计算真空多层绝热材料的表观导热系数与比热流：

$\mathrm{\λ}={\mathrm{VL\ρ}}_g\left(\frac{T_0}{T_1}\right)\left(\frac{P_1}{P_0}\right)\frac{ln\frac{r+\mathrm{\δ}}{r}}{2\mathrm{\π}l(T_h-T_c)}---\left(4\right)$

$q=\frac{{\mathrm{VL\ρ}}_g\left(\frac{T_0}{T_1}\right)\left(\frac{P_1}{P_0}\right)}{\mathrm{\π}(2r+\mathrm{\δ})l}---\left(5\right)$

式中：

λ为表观热导率，单位为W/(m·K)；

V为系统达到稳态后，蒸发的氮气流量在一小时内的平均值，单位为m³/s，根据测量值计算得到；

L为液氮的汽化潜热，单位为J/kg；

ρ_g为273.15K下氮气气体密度，单位为kg/m³；

P₁、T₁为试验条件下流量计出口处氮气的压力和温度,单位分别为Pa、K；

P₀、T₀为标准状态下的压力和温度(1.0133×10⁵Pa，273.15K)；

T_h为系统达到稳态后，热壁温度在一小时内的平均值，单位为K，根据测量值计算得到；

T_c为系统达到稳态后，冷壁温度在一小时内的平均值，单位为K，根据测量值计算得到；

r为测量容器的外半径，单位为m；

δ为试样的厚度，单位为m，根据测量值计算得到；

l为测量容器的长度，单位为m。

试验步骤

首先应使用四氯化碳或丙酮对处于真空的表面进行清洗，以防不洁物影响真空度。对多层绝热材料进行24小时烘干处理，以排除材料中绝大部分水分，并且确保材料表面无油渍等杂物，然后再进行绝热材料的包扎。

1)真空多层绝热材料的包扎

包扎绝热材料步骤如下：

1)在量热器内容器的上保护胆、测量胆和下保护胆上布置并粘贴冷壁测温点(可按测温仪测温通道数多少平均分配布置，最少布置3点)，要求测温点布置可靠，记录测温点位置及编号；

2)将试样缠绕在量热器内胆上，要求缠绕包覆时操作人员佩戴手套、缠绕均匀，并做好缠绕标记记录缠绕层数；用带刻度的测针从垂直于外表面的方向穿透试样全厚度，试样外表面所指测针刻度值即为实测厚度。从6个均匀分布的测点测量，测量数据δ取6点测量记录的平均值。测针在每次试验前应用酒精擦拭干净。记录实测材料厚度δ；

3)在试样最外层表面与冷壁测温点对应的位置布置粘贴热壁测温点，要求测温点布置可靠，记录测温点位置及编号；

4)将缠绕好试样的量热器内容器放入量热器外筒中，确保密封良好。

2)抽真空

首先确保管路连接正确，密封量热器真空腔，在量热器内胆内壁和外壳外壁用电加热器加热去除气，同时打开预抽阀，用涡旋干泵进行抽真空，；真空腔压力达到5Pa以下时，关闭预抽阀，打开前级阀以及插板阀，开启分子泵进行抽真空。

当量热器夹层真空度优于1×10^-1Pa时，向量热器上下保护容器及测量容器内缓慢加注液氮，直至液氮溢出，确保在测试时间内，夹层真空度优于1×10^-2Pa(冷态)。

3)实验数据记录

每隔10min记录一次气体流量计流量、流量计出口处温度T₁及压力P₁，当一小时内流量的变化范围小于5％时，认为系统达到稳态，继续记录接下来一小时的流量，以此计算平均流量V；

当系统达到稳态后，每隔10min记录一次试样的冷、热壁温度T_c与T_h，持续记录一小时；

测量期间每隔30min向量热器的上、下保护胆加注液氮，直至注满为止。

Claims (10)

1.一种用于绝热材料性能检测的测试装置，包括安装框架、固定在安装框架上的外筒、设于外筒内的内胆、与外筒连接的抽真空单元以及数据采集单元，其特征在于：所述安装框架还安装有用于实现内胆升降和水平移动的升降旋转机构，所述升降旋转机构包括：

升降杆，该升降杆顶部设有用于与内胆连接的起吊臂；

用于驱动升降杆上下升降的升降驱动机构；

以及在升降杆上升到位后驱动起吊臂转动的摆动机构。

2.根据权利要求1所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：

所述升降驱动机构为步进电机；

所述升降杆包括：

固定有所述起吊臂的上螺杆；

与所述上螺杆底端同轴套嵌且相互啮合的下螺杆；

所述下螺杆在所述步进电机驱动下实现转动，进而驱动下螺杆的升降。

3.根据权利要求2所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：所述下螺杆顶部为与所述上螺杆套嵌的套筒结构，上螺杆底部插入该套筒结构内，且相互啮合传动。

4.根据权利要求2所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：所述上螺杆外壁套设有顶部与上螺杆顶部转动配合的外套筒；所述起吊臂固定在该外套筒顶部；

所述摆动机构包括：

与所述外套筒周向相对固定、轴向滑动设置的转向抱环；

固定在安装框架上的摆臂，摆臂的一端与所述转向抱环枢接；

驱动摆臂动作的摆动驱动机构，该摆动驱动机构与所述摆臂的另一端传动连接。

5.根据权利要求4所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：

所述外套筒外套设有可轴向滑动且周向固定的安装筒；

所述安装框架上固定有与所述安装筒转动配合且轴向相对固定的轴承座；

所述转向抱环固定在所述安装筒上。

6.根据权利要求5所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：

所述外套筒上设有轴向布置的滑槽；

所述安装筒上设有与所述滑槽滑动配合的滑动轴销。

7.根据权利要求1所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：所述外筒或内胆外壁设有盘管，外接冷热源机组用于控制外壁温度。

8.根据权利要求1所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：所述抽真空单元包括通过挡板阀与外筒的抽真空口对接的分子泵，以及与分子泵气体通道连通的涡旋干泵。

9.根据权利要求8所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：所述涡旋干泵与外筒内腔之间还设有预抽管路，该管路上设有预抽阀。

10.根据权利要求1所述的用于绝热材料性能检测的测试装置，其特征在于：还包括连接在内胆和数据采集单元之间的鼓泡器，该鼓泡器包括：

用于盛放液体介质的鼓泡腔体，该鼓泡腔体侧壁设有透明观察窗；

底端靠近鼓泡腔体底侧内壁的进气管；

底端靠近鼓泡腔体顶侧内壁的出气管；

用于调整鼓泡腔体内压力的调节管。