一種低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，包括：泡沫樣本，所述泡沫樣本為柱體，包括上表面、下表面和側(cè)面；為泡沫樣本的下表面提供高溫高濕環(huán)境的高溫高濕箱；為泡沫樣本的上表面提供低溫環(huán)境的脈管制冷機(jī)；將所述泡沫樣本的側(cè)面絕熱的樣本套。本發(fā)明利用脈管制冷機(jī)冷卻樣本到液氫溫區(qū)，避免了用液氦或液氫系統(tǒng)復(fù)雜的低溫流體流動(dòng)控制及安全系統(tǒng)，極大降低了裝置操作復(fù)雜性及實(shí)驗(yàn)成本，且節(jié)約了裝置占地面積，提高了操作安全性。
【專利說明】一種低溫絕熱用泡沬塑料吸濕增重測(cè)量裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低溫制冷工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重
測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]低溫絕熱系統(tǒng)是以液氫、液氧為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。由于液氧飽和溫度約為90K，液氫溫度為20K，和室溫的溫差分別約為210K和280K，因此為了精確計(jì)算火箭有效載荷及所需要的燃料質(zhì)量，絕熱是必須的。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)絕熱方法是采用簡(jiǎn)單的低導(dǎo)熱系數(shù)的泡沫材料作為絕熱材料包裹在低溫儲(chǔ)罐外面或者里面。上世紀(jì)60年代，固體聚氨酯和聚異氰酸酯泡沫材料及其噴射技術(shù)應(yīng)用于火箭低溫儲(chǔ)罐系統(tǒng)絕熱獲得了突破發(fā)展。直到現(xiàn)在，經(jīng)過改進(jìn)，這些技術(shù)依然被用于美國(guó)太空穿梭機(jī)(Shuttle), Delta IV和其他空間運(yùn)載器低溫系統(tǒng)的絕熱。歐洲的阿里安I和阿里安V，以及我國(guó)的長(zhǎng)征3之后的系列火箭也用類似的技術(shù)用于低溫容器絕熱。
[0003]除了絕熱性能好，對(duì)絕熱材料的另外一個(gè)要求是質(zhì)量輕(密度低)。泡沫材料從微觀上看，是由許多閉孔結(jié)構(gòu)組成的多孔介質(zhì)。在長(zhǎng)期的溫度梯度下，這些多孔介質(zhì)內(nèi)的殘留氣體由于液化而可能成為微型“低溫泵”，吸收環(huán)境中的水蒸汽而導(dǎo)致質(zhì)量大大增加。美國(guó)NASA對(duì)低溫絕熱用泡沫塑料已開展了長(zhǎng) 期的實(shí)驗(yàn)研究，考察了該材料老化、風(fēng)化情況下的吸濕增重。結(jié)果顯示，泡沫材料在一面液氮溫度，一面室溫高濕環(huán)境下暴露8小時(shí)，吸濕增重約35%~80%，相當(dāng)于增加火箭載荷幾千公斤。因此，對(duì)泡沫塑料吸濕增重的定量測(cè)量對(duì)精確設(shè)計(jì)火箭推力有重要意義。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?00910248607.0的中國(guó)專利公開了一種在加載狀態(tài)下泡沫類絕熱材料
低溫?zé)釋?dǎo)率的測(cè)試裝置，將冷板與冷腔設(shè)置為一體，冷腔由低溫液體(液氦、液氫等)進(jìn)行冷卻，測(cè)試時(shí)只需將實(shí)驗(yàn)體置于冷板上，無需將整個(gè)實(shí)驗(yàn)單元浸入到低溫液體中，減少了冷卻過程中液氦或者液氫等低溫液體的耗費(fèi)量，降低測(cè)試成本，但該裝置重點(diǎn)在于泡沫材料的熱導(dǎo)率測(cè)量，與本
【發(fā)明內(nèi)容】
完全不同。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?01110203678.6的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種利用液氮冷卻泡沫塑料的吸濕增重實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了樣品一面超低溫、另一面室溫高濕極端環(huán)境下的吸濕增重測(cè)量，并且樣品可方便地移走和安裝。但該發(fā)明低溫工質(zhì)液氮只能將樣本冷卻到液氮溫度(~78K)，不能有效模擬航天器內(nèi)低溫燃料儲(chǔ)罐內(nèi)的液氫溫區(qū)的低溫環(huán)境，進(jìn)而無法精確計(jì)算火箭有效載荷及所需要的燃料質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試方便、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，該裝置能夠較精確地測(cè)量低溫絕熱用泡沫塑料的吸濕增重量，進(jìn)而便于火箭等航天器的推動(dòng)力設(shè)計(jì)。
[0007]一種低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，包括:[0008]泡沫樣本，所述泡沫樣本為柱體，包括上表面、下表面和側(cè)面；
[0009]為泡沫樣本的下表面提供高溫高濕環(huán)境的高溫高濕箱；
[0010]為泡沫樣本的上表面提供低溫環(huán)境的脈管制冷機(jī)；
[0011]將所述泡沫樣本的側(cè)面絕熱的樣本套。
[0012]所述的脈管制冷機(jī)為布置在真空室內(nèi)的單級(jí)雙向脈管制冷機(jī)，所述的單級(jí)雙向脈管制冷機(jī)通過導(dǎo)熱部件向泡沫樣本的上表面提供低溫環(huán)境。采用單級(jí)雙向脈管制冷機(jī)可以達(dá)到小于20K的制冷溫度，且對(duì)電磁、機(jī)械的干擾不敏感，能夠在較低的制冷溫度下保持較高的安全性。
[0013]所述的脈管制冷機(jī)靠近真空室底面的部分為冷頭，所述的導(dǎo)熱部件為與冷頭連接的銅柱和支撐所述銅柱的銅盤，銅盤的下表面抵緊所述泡沫樣本的上表面。金屬銅的導(dǎo)熱系數(shù)較高，能夠?qū)⒗漕^的溫度較好的傳遞給泡沫樣本的上表面，即泡沫樣本的上表面溫度近似等于脈管制冷機(jī)的冷端溫度。
[0014]所述的脈管制冷機(jī)為兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的并列布置在真空室內(nèi)的單級(jí)雙向脈管制冷機(jī)，兩個(gè)脈管制冷機(jī)的冷頭之間通過銅板相連。利用銅的導(dǎo)熱系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，將兩個(gè)脈管制冷機(jī)的冷頭溫度施加于泡沫樣本的上表面，能夠達(dá)到更好的制冷效果。
[0015]所述真空室的底面上正對(duì)冷頭處設(shè)有波紋板，所述銅盤焊接在波紋板中心，作為真空室底面的一部分。該裝置利用波紋板克服了熱脹冷縮帶來的應(yīng)力集中，能始終保證樣本、銅盤、銅柱和制冷機(jī)冷頭相互之間緊密接觸。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)具有漏熱最小化等優(yōu)點(diǎn)。
[0016]為準(zhǔn)確地模擬航天器中發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)外環(huán)境，需給泡沫樣本的上、下表面分別提供一個(gè)近似發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的液氧、液氫的低溫環(huán)境和近似發(fā)動(dòng)機(jī)外部的高溫高濕環(huán)境，使泡沫樣本的軸向上形成一個(gè)溫度梯度，這就要求泡沫樣本側(cè)面的絕熱性要好，因此，在泡沫樣本的側(cè)面套設(shè)一個(gè)樣本套，防止由于泡沫樣本的側(cè)面散失一部分熱量，使得測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。
[0017]所述泡沫樣本為圓柱體，所述樣本套為與泡沫樣本的側(cè)面緊密貼合的中空?qǐng)A柱。圓柱體與中空?qǐng)A柱的緊密配合可最大限度的減小泡沫樣本與樣本套之間的縫隙，減少熱量的散失，提高測(cè)量的精準(zhǔn)性。
[0018]所述樣本套的外徑大于波紋板的直徑；所述樣本套的中空部分分上、下兩段，上段的直徑、深度分別與泡沫樣本的直徑、厚度相同；下段的直徑比上段略小，形成臺(tái)階，所述泡沫樣本放置在該臺(tái)階上，在泡沫樣本與臺(tái)階之間夾有O型圈，以防止高溫高濕箱產(chǎn)生的水蒸汽從泡沫樣本與樣本套之間的縫隙通過到達(dá)溫度較低的銅盤表面而形成對(duì)流，從而極大增加漏熱，使得測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。
[0019]為減小樣本套上表面與波紋板之間縫隙漏熱，作為優(yōu)選，所述樣本套的外圍包有圓柱形液氮槽，所述液氮槽為內(nèi)、外雙壁面結(jié)構(gòu)，中間環(huán)形空間充有液氮。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選，所述液氮槽的內(nèi)壁面的上部設(shè)有氮?dú)馀懦隹?，外壁面的下部連有液氮進(jìn)口管。氮?dú)馀懦隹椎拇嬖谑挂旱蹆?nèi)蒸發(fā)的氮?dú)庖绯觯康氖墙档蜆颖咎椎耐獗砻媾c液氮槽之間縫隙的溫度，從而減少通過樣本套上表面與波紋板之間縫隙的氣體對(duì)流和導(dǎo)熱漏熱。
[0021]為較準(zhǔn)確的模擬航天器中發(fā)動(dòng)機(jī)外部的環(huán)境，作為優(yōu)選，所述高溫高濕箱內(nèi)的溫度為29?31 °C，相對(duì)濕度為98%?99%。
[0022]本發(fā)明利用脈管制冷機(jī)冷卻樣本到液氫溫區(qū)，避免了用液氦或液氫系統(tǒng)復(fù)雜的低溫流體流動(dòng)控制及安全系統(tǒng)，極大降低了裝置操作復(fù)雜性及實(shí)驗(yàn)成本，且節(jié)約了裝置占地面積，提高了操作安全性。另外，該裝置利用波紋板克服了熱脹冷縮帶來的應(yīng)力集中，能始終保證樣本、銅盤、銅柱和制冷機(jī)冷頭相互之間緊密接觸。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)具有漏熱最小化等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為利用本發(fā)明吸濕增重測(cè)量裝置測(cè)試泡沫樣本期間，制冷機(jī)的冷頭及泡沫樣本的上表面的溫度隨時(shí)間的變化曲線；
[0025]圖3為利用本發(fā)明吸濕增重測(cè)量裝置測(cè)試八組泡沫樣本分別經(jīng)過5小時(shí)和9小時(shí)
后吸濕增重量。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，一種低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，包括:泡沫樣本6，該泡沫樣本為柱體，包括上表面、下表面和側(cè)面；為泡沫樣本6的下表面提供高溫高濕環(huán)境的高溫高濕箱15 ;為泡沫樣本6的上表面提供低溫環(huán)境的脈管制冷機(jī)I ;將所述泡沫樣本的側(cè)面絕熱的樣本套6。
[0027]脈管制冷機(jī)I為兩臺(tái)完全相同的單級(jí)雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)，每臺(tái)制冷機(jī)I冷量為20W/20K，由額定功率為6.5kff的氦壓縮機(jī)(德國(guó)萊寶)驅(qū)動(dòng)。兩臺(tái)制冷機(jī)I垂直、并列放置于同一真空室5中，真空室5內(nèi)的真空度< 10-3Pa。
[0028]脈管制冷機(jī)靠近真空室底面的部分為冷頭2，冷頭2尺寸為170X90mm(長(zhǎng)X寬)，兩個(gè)脈管制冷機(jī)I的冷頭2間中心距離約為300mm，由一塊厚10mm，寬IOOmm的銅板10熱連接，銅板10選自高純紫銅板紫銅板，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)(20K?300K溫區(qū)內(nèi)的平均導(dǎo)熱數(shù)> 400W/m.K)，能夠?qū)蓚€(gè)脈管制冷機(jī)的冷頭溫度施加于泡沫樣本的上表面，達(dá)到更好的制冷效果。銅板10與冷頭2通過螺栓連接，兩者之間加銦片和低溫導(dǎo)熱膠以減小接觸熱阻。
[0029]真空室9為長(zhǎng)方體，考慮制冷機(jī)方便安裝，真空室9的底面11與真空室9上部為活動(dòng)連接，通過共14顆MlO螺栓緊密連接。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，螺栓處可能溫度低于0°C，兩者之間通過方形聚四氟乙烯帶密封。另外，在主脈管制冷機(jī)的冷頭2正下方，真空室9的底面11一部分面積由直徑為Φ 240mm的波紋板5構(gòu)成，波紋板5共三個(gè)波紋，波高約6mm，波間距約12mm,與真空室9底面IS弧焊連接。波紋板5的中心位置為一直徑為70mm,厚為8mm的銅盤4，兩者通過真空釬焊連接，待測(cè)試的泡沫樣本6緊貼在銅盤4的下表面。銅盤4與主脈管制冷機(jī)I的冷頭2表面的距離為40mm,通過一直徑為C>80mm的銅柱3熱連接。波紋板5與銅柱3的組合，既組成了有效的真空密封結(jié)構(gòu)，又考慮了熱應(yīng)力，能保證泡沫樣本6始終緊貼銅盤4，同時(shí)最大程度減小了系統(tǒng)漏熱，使制冷機(jī)冷量能充分利用。
[0030]待測(cè)泡沫樣本6的直徑為Φ 70mm,厚度為20mm的圓柱形,材料為聚氨酯泡沫。測(cè)試前先安裝到與泡沫樣本6材料相同的聚氨酯泡沫加工的中空?qǐng)A柱形樣本套8中，樣本套8的中空部分分上、下兩段，上段的直徑與泡沫樣本的直徑相同，均為Φ70πιπι，以保證樣本6和樣本套8緊密接觸，上段的深度與泡沫樣本6的厚度相同；下段的直徑比上段略小，形成一個(gè)寬約8_的臺(tái)階，泡沫樣本6放置在該臺(tái)階上，試驗(yàn)時(shí)在泡沫樣本與臺(tái)階之間夾有Φ4_的O型圈，以防止水蒸汽從縫隙通過到達(dá)低溫銅盤4表面形成對(duì)流，從而極大增加漏熱。
[0031]樣本套8的外徑約280mm，為減小樣本套8上表面與波紋板5之間縫隙漏熱，設(shè)計(jì)一內(nèi)徑為284mm,外徑為384mm,高為50mm的內(nèi)、夕卜雙壁面結(jié)構(gòu)的液氮槽13,內(nèi)外雙臂面的中間環(huán)形空間充有液氮。該液氮槽焊接在真空室底面11上。液氮槽13內(nèi)壁面的上部鑿有散亂分布的氮?dú)馀懦隹?12，以使里面蒸發(fā)的氮?dú)庖绯觯康氖墙档蜆颖咎?外表面與液氮槽13之間縫隙溫度，從而減少通過樣本套上表面與波紋板之間縫隙的氣體對(duì)流和導(dǎo)熱漏熱。
[0032]樣本套8和泡沫樣本6放置于下面的高溫高濕箱15的頂面上，高溫高濕箱內(nèi)的溫度為29?31°C，相對(duì)濕度為98%?99%，為泡沫樣本6的下表面提供高溫高濕的環(huán)境。通過高溫高濕箱15的上下運(yùn)動(dòng)將泡沫樣本6緊密的貼在低溫銅盤4的下表面，從而將脈管制冷機(jī)I的冷頭溫度通過銅板10、銅柱3及銅盤4傳遞給泡沫樣本6的上表面。
[0033]上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的吸濕增重測(cè)量裝置作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的只是范圍內(nèi)，還可以對(duì)其做出種種變化。例如，各個(gè)部件的尺寸不限于上述實(shí)施例中的具體尺寸，只要不影響本發(fā)明的實(shí)施效果，可適當(dāng)增減部件的尺寸。
[0034]利用本發(fā)明裝置對(duì)泡沫樣本的吸濕增重進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)試了編號(hào)為IV-1-1、IV-1-2、IV-1-3、IV-4-1、IV-4-2、IV-4-3、L-4-3、L-4-4 八組不同密度的泡沫樣本，每組樣本包括兩個(gè)相同的樣本。
[0035]測(cè)試過程如下:首先將泡沫樣本6置于本發(fā)明裝置中的相應(yīng)位置，啟動(dòng)該裝置，即通過高溫高濕箱15為泡沫樣本6的下表面提供高溫高濕環(huán)境，利用脈管制冷機(jī)I為泡沫樣本6的上表面提供低溫環(huán)境，歷時(shí)5小時(shí)，將泡沫樣本從本發(fā)明的裝置中取下稱重，然后放到一恒溫恒濕箱內(nèi)24小時(shí)，使泡沫樣本中的水分揮發(fā)出來，恢復(fù)吸濕增重前的狀態(tài)，接下來再將該泡沫樣本置于本發(fā)明裝置中的相應(yīng)位置，歷時(shí)9小時(shí)，將泡沫樣本取下再次稱重。經(jīng)計(jì)算，得到圖3所示的八組泡沫樣本分別經(jīng)過5小時(shí)和9小時(shí)后吸濕增重量，圖3中同一組泡沫樣本中的兩個(gè)相同樣本的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本重合，體現(xiàn)了泡沫樣本吸濕增重的規(guī)律性和重復(fù)性。
[0036]測(cè)試過程中，利用放置在銅盤4中的銠鐵溫度傳感器可以測(cè)得泡沫樣本上表面的溫度，利用安裝在冷頭2底端的銠鐵溫度傳感器可以測(cè)得冷頭的溫度，從而得到圖2的曲線?？梢姡帽景l(fā)明裝置，可將泡沫樣本長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地冷卻到要求的25K溫度，溫度波動(dòng)小于±0.5K。同時(shí)保持泡沫樣本另一面溫度為30°C，相對(duì)濕度98%的高溫高濕環(huán)境。
【權(quán)利要求】
1.一種低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，包括: 泡沫樣本，所述泡沫樣本為柱體，包括上表面、下表面和側(cè)面； 為泡沫樣本的下表面提供聞溫聞濕環(huán)境的聞溫聞濕箱； 為泡沫樣本的上表面提供低溫環(huán)境的脈管制冷機(jī)； 將所述泡沫樣本的側(cè)面絕熱的樣本套。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述的脈管制冷機(jī)為布置在真空室內(nèi)的單級(jí)雙向脈管制冷機(jī)，所述的單級(jí)雙向脈管制冷機(jī)通過導(dǎo)熱部件向泡沫樣本的上表面提供低溫環(huán)境。
3.如權(quán)利要求2所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述的脈管制冷機(jī)靠近真空室底面的部分為冷頭，所述的導(dǎo)熱部件為與冷頭連接的銅柱和支撐所述銅柱的銅盤，銅盤的下表面抵緊所述泡沫樣本的上表面。
4.如權(quán)利要求3所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述的脈管制冷機(jī)為兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的并列布置在真空室內(nèi)的單級(jí)雙向脈管制冷機(jī)，兩個(gè)脈管制冷機(jī)的冷頭之間通過銅板相連。
5.如權(quán)利要求4所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述真空室的底面上正對(duì)冷頭處設(shè)有波紋板，所述銅盤焊接在波紋板中心，作為真空室底面的一部分。
6.如權(quán)利要求5所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述泡沫樣本為圓柱體，所述樣本套為與泡沫樣本的側(cè)面緊密貼合的中空?qǐng)A柱。
7.如權(quán)利要求6所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述樣本套的外徑大于波紋板的直徑；所述樣本套的中空部分分上、下兩段，上段的直徑、深度分別與泡沫樣本的直徑、厚度相同；下段的直徑比上段略小，形成臺(tái)階，所述泡沫樣本放置在該臺(tái)階上，在泡沫樣本與臺(tái)階之間夾有O型圈。
8.如權(quán)利要求7所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述樣本套的外圍包有圓柱形液氮槽，所述液氮槽為內(nèi)、外雙壁面結(jié)構(gòu)，中間環(huán)形空間充有液氮。
9.如權(quán)利要求8所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述液氮槽的內(nèi)壁面的上部設(shè)有氮?dú)馀懦隹?，外壁面的下部連有液氮進(jìn)口管。
10.如權(quán)利要求9所述的低溫絕熱用泡沫塑料吸濕增重測(cè)量裝置，其特征在于，所述高溫高濕箱內(nèi)的溫度為29?31 °C，相對(duì)濕度為98 %?99 %。
【文檔編號(hào)】G01N5/02GK103808593SQ201210447308
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月9日
【發(fā)明者】張小斌, 朱佳凱, 邱利民, 甘智華, 張學(xué)軍, 朱文俐, 楊汝平, 馬曉靜 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)