CN108614007A - 多层绝热材料和复合绝热材料性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层绝热材料和复合绝热材料性能测试装置，包括：低温装置、辐射冷屏和量热器，低温装置包括形成容纳腔的真空罩和具有一级冷头与二级冷头的制冷机，一级冷头和二级冷头位于真空罩的内部；辐射冷屏位于一级冷屏和二级冷屏之间；量热器包括悬置于真空罩内部且与一级冷头通过铜辫子热连接的一级冷屏、位于一级冷屏内部的二级冷屏、以及一端与二级冷头连接、另一端与二级冷屏内侧表面连接的导热棒；被测多层绝热材料包覆在二级冷屏的外侧面，测量通过导热棒的热流量得出被测多层绝热材料的绝热性能。本发明能有效解决现有复合多层绝热材料性能测试系统通过低温液体蒸发速率测试表观热导率所引起的资源浪费、测试误差大的问题。

Description

多层绝热材料和复合绝热材料性能测试装置

技术领域

本发明涉及低温绝热领域，更具体地，涉及一种多层绝热材料和复合绝热材料性能测试装置。

背景技术

低温技术被广泛应用于生活、科研、工业和航天等领域。低温液体存储是低温技术应用的基础。深低温液体如液氢和液氦在存储过程中，普通的真空绝热方式无法有效控制热量的传入，一般采用真空下包覆多层绝热材料，同时外加辐射铜屏的方式，从而减小辐射漏热，消除气体对流传热。被动绝热技术是低温液体存储的基础。高真空复合绝热不仅具有极好的绝热效果，而且具有轻便，操作方便、对环境无污染等优点，因此被广泛应用于运输液化天然气的LNG船、低温液体储罐、低温实验装置和各种航天器中。

多层绝热材料(Multilayer Insulation简称MLI)是一种超级绝热材料，由瑞典的Peterson于1951年首次研制成功。多层绝热材料是由铝箔/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，是世界上公认的在高真空下具有低热导率的绝热材料。现今的多层绝热材料为了实际工程安装上的需要，发展趋势由简单的缠绕型向复合型多层绝热材料转变。例如目前出现了一种坚固耐用型的多层绝热材料，此种绝热材料为MLI与气凝胶复合后制造出的层状绝热材料，通过相关的试验验证得出，其在高真空的时候与MLI有着等同的绝热性能，但在低真空的时候，其绝热性能是MLI的6倍。除了在整个真空区间上都有较好的绝热性能之外，此种坚固耐用型绝热材料还具有一定的机械性能。

目前国内外使用的用于测量多层绝热材料绝热性能的装置大都是采用低温液体蒸发法测量。这类装置在工作时，通过测量低温液体(如液氮77K或液氦4.2K)蒸发率反推通过被测多层绝热材料的热量。因此，该类测量装置会造成巨大的低温液体资源浪费，尤其是测试液氦温区的数据；其次该类测试装置只能测量多层绝热材料特定温度(如液氮77K或液氦4.2K)下的表观热导率；最后，该类测量装置需要测量蒸发气体体积流速，在环境温度、压力变化时，蒸汽密度变化将导致较大误差。进而需要设计一种新的用于测量低温下复合绝热材料绝热性能的测试装置。

此外，液氢(20K)和液氦(4.2K)储罐由于内外温差巨大，导致辐射传热大，除真空绝热和包覆多层绝热外，还在真空腔和容器之间设一层铜屏作为辐射屏，铜屏上涂减小发射率的涂层或者包覆多层绝热材料。可以测量这种复合绝热方式的设备还未出现，现有的也仅仅是通过内部低温液体蒸发粗略估算来评估杜瓦的绝热性能。

因此，需要提供一种新的测试装置对多层绝热材料和复合绝热材料的绝热性能进行测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层绝热材料和复合绝热材料性能测试装置，包括：

用于提供冷量和维持低温的低温装置，所述低温装置包括形成容纳腔的真空罩和具有一级冷头与二级冷头的制冷机，所述制冷机设置在所述真空罩的顶部法兰上，所述一级冷头和二级冷头位于所述真空罩的内部；以及，

量热器，所述量热器包括悬置于所述真空罩内部且与所述一级冷头通过铜辫子热连接的一级冷屏、位于所述一级冷屏内部的二级冷屏、以及一端与所述二级冷头连接、另一端与所述二级冷屏内侧表面连接的导热棒；

辐射冷屏，所述辐射冷屏用热导率低的环氧树脂悬吊于一级冷屏法兰下方，位于一级冷屏和二级冷屏之间，上面可以涂反射热辐射的辐射层或者包覆多层绝热材料，辐射冷屏与二级冷屏上包覆的多层绝热材料耦合形成复合绝热的方式；

测量多层绝热材料表观热导率时，去除辐射冷屏，被测多层绝热材料包覆在所述二级冷屏的外侧面，测量通过所述导热棒的热流量得出被测多层绝热材料的绝热性能。

测量复合多层绝热材料绝热性能时，被测多层绝热材料包覆在所述二级冷屏的外侧面，辐射冷屏上包覆多层绝热材料或者涂抹减小发射率的辐射涂层，测量通过所述导热棒的热流量得出被测多层绝热材料的绝热性能。

优选地，所述导热棒的另一端通过支撑盘与所述二级冷屏的内侧表面连接，所述支撑盘设置为平板形状，所述平板的侧壁与所述二级冷屏的内侧表面连接，所述导热棒的另一端与支撑盘的中心连接。

优选地，所述导热棒与支撑盘之间、以及导热棒与二级冷头之间设有用于消除接触热阻的铟片。

优选地，所述一级冷屏的外侧表面结合固定有用于调节一级冷屏的第一温度控制器。

优选地，所述导热棒上固定结合有用于控制所述二级冷屏的第二温度控制器。

优选地，所述二级冷屏包括本体和位于所述本体两端的上端盖、下端盖，所述上端盖与下端盖之间还通过两根无氧铜棒连接，所述上端盖通过铜辫子与所述二级冷头连接，保证上、下端盖的温度与本体温度相同。

优选地，所述导热棒的两端设有低温下使用的铑铁温度计，所述铑铁温度计用于测量标定的导热棒两端温度。

优选地，该测试装置还包括用于保证所述一级冷屏与二级冷屏方向垂直的定位装置，所述定位装置固定结合在所述真空罩的底面内侧表面，且分别与一级冷屏和二级冷屏的底面连接。

优选地，所述一级冷屏通过多根环氧树脂拉杆悬吊于所述真空罩内。

本发明的有益效果如下：

本发明的测试装置通过一级冷屏和二级冷屏模拟储罐的热端和冷端，辐射冷屏模拟液氢和液氦储罐的辐射屏，能够实现低温下对多层绝热材料和复合绝热材料的绝热性能进行测试。该装置以制冷机作为冷源，通过标定的导热棒作为量热器，能有效解决现有多层绝热材料和复合绝热材料性能测试系统通过低温液体蒸发速率测试表观热导率所引起的资源浪费、测试误差大、系统复杂和低温液体导致的安全问题。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明测试装置的示意图。

图2示出本发明测试装置的测试原理图。

1制冷机；12一级冷头；13二级冷头；2真空腔；3拉杆；4一级冷屏

51第一辐射冷屏；52第二辐射冷屏；6导热棒；7支撑盘；

8二级冷屏；9端盖；10定位装置

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种多层绝热材料和复合绝热材料性能测试装置的一个实施例，包括低温装置和量热器。低温装置包括制冷机1、真空罩2，真空罩2为整个装置提供真空环境，保证整个测试装置处于高真空环境下。制冷机1设置在真空罩2的顶部法兰，制冷机1的一级冷头12和二级冷头13位于真空罩2内部。为了保证测量精度，需要增大被侧材料的有效导热面积，因此测试装置的高度较大，垂直高度为1925mm，为便于操作，真空抽气口和接线柱都设置在真空罩2的侧面。

量热器包括一级冷屏4、二级冷屏8、二级冷屏的上、下端盖9、标定的导热棒6和支撑盘7。一级冷屏4通过环氧树脂拉杆悬置于真空罩2内部，环氧树脂拉杆的热导率低，在承受测试装置重力的同时，可以减小热量从真空罩2的壳体传递到一级冷屏4。一级冷屏4通过铜辫子与一级冷头12连接，冷量通过铜辫子传递到一级冷屏4，由于铜辫子为柔性材料，因此通过铜辫子连接可以防止将制冷机1工作时的振动传递给一级冷屏4。一级冷屏4上安装有第一温度控制器，可以将一级冷屏4的温度控制并维持在50K-300K之间的任一温度，一级冷屏4就是模拟实际应用中储罐热端或中间辐射屏温度。二级冷屏8悬置于一级冷屏4内部，二级冷头13位于二级冷屏8的外侧一级冷屏4的内侧，导热棒6的一端通过螺纹与二级冷头13连接，另一端连接在支撑盘7的中心，支撑盘7为平板状形状，支撑盘7的侧壁与二级冷屏8的内侧表面连接，二级冷屏8通过支撑盘7固定。冷量从二级冷头13通过导热棒6和支撑盘7传递到二级冷屏8，二级冷屏8上安装有第二温度控制器，可以将二级冷屏8的温度控制并维持在4.2K-50K之间的任一温度，如果加装加热器，可以将温度进一步提高。导热棒6与二级冷头、支撑盘7之间放有消除接触热阻的铟片，保证热量的传递。被测多层绝热材料包覆在二级冷屏8外侧，二级冷屏8就是模拟实际应用中储罐冷端温度。

二级冷屏8包括本体和设置在本体两端的上、下端盖9，上、下端盖9之间通过无氧铜棒连接，下端盖9通过铜辫子与二级冷头13连接，使上、下端盖9与本体的温度一致，从而消除外界热量通过辐射的方式通过二级冷屏8两端进入，影响测量精度。

为了保证一级冷屏4和二级冷屏8都处于垂直方向，使通过被测绝热材料的热量垂直与绝热材料表面，保证计算面积和实际面积一致，本实施例还包括定位装置10，定位装置10固定设置在真空罩2的底面内侧表面，并分别与一级冷屏4和二级冷屏8的底面固定连接。

本发明的测试装置还包括第一辐射冷屏51和第二辐射冷屏52，第一辐射冷屏51和第二辐射冷屏52通过环氧树脂拉杆悬挂于一级冷屏4和二级冷屏8之间，与周围物体仅通过热辐射进行热量传递。第一辐射冷屏51和第二辐射冷屏52模拟液氢或液氦等超低温液体储罐中的辐射铜屏，在测试多层绝热材料(MLI)表观热导率时，不安装这两个辐射冷屏。当测试复合绝热材料绝热性能时，安装上第一辐射冷屏51和第二辐射冷屏52，辐射冷屏上涂反射热辐射的辐射层或者包覆多层绝热材料，该多层绝热材料可以与被测多层绝热材料相同，也可以不同，第一辐射冷屏51和第二辐射冷屏52与二级冷屏8上包覆的多层绝热材料耦合形成复合绝热的方式，本发明的测试装置能够测量多层绝热材料和复合多层绝热材料的绝热性能。第一辐射冷屏51和第二辐射冷屏52上分别安装有温度计，可以测量和比较该温度下不同种辐射涂层的绝热性能。

进一步地，导热棒6的两端设有低温下使用铑铁温度计，铑铁温度计用于测量标定的导热棒6两端的温度。

如图2所示，测试流程：

1、标定导热棒6。导热棒6需要标定，根据被测温区不同，可以采用不同材料制作。标定时得出测量温区内的温度梯度，再与测试结果进行比较，得出通过被测绝热材料的热量。将一级冷屏4、二级冷屏8和第一辐射冷屏51、第二辐射冷屏52拆下，将标定装置安装在二级冷头，标定装置上温度控制器，控制温度和导热棒温度一致，从而消除热辐射对导热棒6温度影响。导热棒标定时，上下两端分别安装有加热器和温度计，然后缓慢增大导热棒6两端温差，并记录该温差下两端加热器功率，算出该温差下通过导热棒的热流量。

2、将导热棒6上端通过螺纹紧固，安装在二级冷头13上，下端通过螺纹紧固与二级冷屏支撑板7相连。随后安装二级冷屏的上、下端盖9。

3、将被测量的多层绝热材料(MLI)，根据设计的层数和层密度包覆在二级冷屏表面。

4、安装第一辐射冷屏51、第二辐射冷屏52，并将被测辐射涂层材料均匀涂抹在两层冷屏上或者将被测多层绝热材料包覆于两层冷屏上。

5、用环氧树脂拉杆3将一级冷屏4悬挂于制冷机1的一级冷头12下方，同时用铜辫子将一级冷头12与一级冷屏4热连接。

6、将真空罩封闭，用真空泵将装置抽真空，真空度为10^-5Pa.

7、开启制冷机1进行降温，使一级冷屏4和二级冷屏8冷却到被测温度，通过labview编程控制系统，控制温度并记录导热棒6两端温度。

8、制作图形曲线，对比标定数据，得出通过导热棒热量，从而得出多层绝热材料或复合绝热材料绝热性能。

当仅需要测量多层绝热材料表观热导率时，拆除第一辐射冷屏51和第二辐射冷屏52。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种多层绝热材料和复合绝热材料性能测试装置，其特征在于，包括：

用于提供冷量和维持低温的低温装置，所述低温装置包括形成容纳腔的真空罩和具有一级冷头与二级冷头的制冷机，所述制冷机设置在所述真空罩的顶部法兰上，所述一级冷头和二级冷头位于所述真空罩的内部；

量热器，所述量热器包括悬置于所述真空罩内部且与所述一级冷头通过铜辫子热连接的一级冷屏、位于所述一级冷屏内部的二级冷屏、以及一端与所述二级冷头连接、另一端与所述二级冷屏内侧表面连接的导热棒；

辐射冷屏，所述辐射冷屏悬置于所述真空罩内部且位于所述一级冷屏和二级冷屏之间，所述辐射冷屏表面涂有反射热辐射的辐射层或者包覆多层绝热材料，所述辐射冷屏与二级冷屏上的多层绝热材料形成复合绝热的方式；

被测多层绝热材料包覆在所述二级冷屏的外侧面，测量通过所述导热棒的热流量得出被测多层绝热材料的绝热性能。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述导热棒的另一端通过支撑盘与所述二级冷屏的内侧表面连接，所述支撑盘设置为平板形状，所述平板的侧壁与所述二级冷屏的内侧表面连接，所述导热棒的另一端与支撑盘的中心连接。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述导热棒与支撑盘之间、以及导热棒与二级冷头之间设有用于消除接触热阻的铟片。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述一级冷屏的外侧表面结合固定有用于调节一级冷屏的第一温度控制器。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述导热棒上固定结合有用于控制所述二级冷屏的第二温度控制器。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述二级冷屏包括本体和位于所述本体两端的上端盖、下端盖，所述上端盖与下端盖之间还通过两根无氧铜棒连接，所述上端盖通过铜辫子与所述二级冷头连接，保证上、下端盖的温度与本体温度相同。

7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述导热棒的两端设有低温下使用的铑铁温度计，所述铑铁温度计用于测量标定的导热棒两端温度。

8.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，该测试装置还包括用于保证所述一级冷屏与二级冷屏方向垂直的定位装置，所述定位装置固定结合在所述真空罩的底面内侧表面，且分别与一级冷屏和二级冷屏的底面连接。

9.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述一级冷屏和辐射冷屏均通过多根环氧树脂拉杆悬吊于所述真空罩内。