本發(fā)明涉及低溫絕熱材料，特別是涉及一種帶真空的絕熱材料性能檢測(cè)的測(cè)試裝置。

背景技術(shù)：

真空多層絕熱(Multilayer Insulation，MLI)于1951年由瑞典的Peterson首次研制成功，是由鋁箔/鍍鋁薄膜和具有低熱導(dǎo)率間隔材料復(fù)合而成，或用褶皺的單/雙面鍍鋁薄膜復(fù)合而成，是目前世界上公認(rèn)的在高真空下具有低熱導(dǎo)率的絕熱材料，被稱之為“超級(jí)絕熱”。

衡量絕熱材料絕熱性能優(yōu)劣主要有以下指標(biāo)：表觀導(dǎo)熱系數(shù)、比熱流與靜態(tài)蒸發(fā)率。表觀導(dǎo)熱系數(shù)是指絕熱系統(tǒng)在導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等多種傳熱方式穩(wěn)定傳熱條件下，在單位時(shí)間、規(guī)定真空度、規(guī)定溫差下通過單位厚度的絕熱材料傳遞的熱量，單位為W/(m·K)。比熱流即為通過絕熱材料單位面積上的熱流，其能直觀地表示絕熱材料的性能，單位為W/m²。靜態(tài)蒸發(fā)率描述的是絕熱容器的絕熱性能優(yōu)劣，其從側(cè)面描述了絕熱材料絕熱性能的優(yōu)劣，定義為深冷儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在額定充滿率下，靜置達(dá)到熱平衡后，24小時(shí)內(nèi)自然蒸發(fā)損失的深冷液體質(zhì)量與內(nèi)容器有效容積下深冷液體質(zhì)量的百分比，單位為百分比每天(％/d)，一般用于描述較為大型的低溫容器的絕熱性能。

多層絕熱材料由于絕熱效果好，重量輕，低污染等特點(diǎn)，已經(jīng)成為航天器和其他低溫工程應(yīng)用中重要的絕熱技術(shù)。如，低溫液體的儲(chǔ)存與運(yùn)輸、航天器輸液管道和艙體設(shè)備保溫。隨著氣體行業(yè)的發(fā)展和新能源液化天然氣應(yīng)用以及航空航天事業(yè)的發(fā)展，多層絕熱材料的應(yīng)用也得到廣泛的推廣。

測(cè)量多層絕熱材料性能的方法可以分成兩大類：穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。其中穩(wěn)態(tài)法中常用的有蒸發(fā)量熱器和電輸入法是廣泛使用的。蒸發(fā)量熱器采用的是蒸發(fā)量熱法，所謂蒸發(fā)量通過測(cè)定液化氣體的蒸發(fā)量來確定通過絕熱材料樣本的熱流，液化氣體在一定的溫度和壓強(qiáng)下的蒸發(fā)潛熱是已知的。目前蒸發(fā)量熱器主要由外筒、設(shè)置在外筒內(nèi)的內(nèi)膽、溫度檢測(cè)單元、注液?jiǎn)卧?、抽真空機(jī)組、真空檢測(cè)單元、鼓泡器等組成。

申請(qǐng)人在專利文獻(xiàn)201510248812.2中，公開了一種多層絕熱材料性能測(cè)試裝置，包括外筒、設(shè)置在外筒內(nèi)的內(nèi)膽、以及保持內(nèi)膽外部真空度的真空機(jī)組，所述外筒內(nèi)壁設(shè)有安裝管，所述內(nèi)膽外壁設(shè)有連接管，所述安裝管與連接管之間通過可拆卸結(jié)構(gòu)將內(nèi)膽與外筒固定；所述真空機(jī)組與外筒的抽真空接口直接對(duì)接。但是該測(cè)試裝置存在如下問題：(1)需要取出內(nèi)膽時(shí)，升降機(jī)構(gòu)完成上升動(dòng)作后，需要人力將內(nèi)膽推至合適的拆卸位置；需要安裝時(shí)，也存在同樣的問題；導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度較大；(2)內(nèi)膽外壁的溫度無法精確控制，波動(dòng)較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大；(3)原測(cè)試裝置采用分子泵和有油的機(jī)械泵結(jié)合，無法避免的存在油蒸氣污染，大大影響了真空計(jì)的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種全自動(dòng)升降和位置調(diào)整的用于絕熱材料性能檢測(cè)的測(cè)試裝置，降低了測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)用性強(qiáng)。

一種用于絕熱材料性能檢測(cè)的測(cè)試裝置，包括安裝框架、固定在安裝框架上的外筒、設(shè)于外筒內(nèi)的內(nèi)膽、與外筒連接的抽真空單元以及數(shù)據(jù)采集單元，所述安裝框架還安裝有用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)膽升降和水平移動(dòng)的升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括：

升降桿，該升降桿頂部設(shè)有用于與內(nèi)膽連接的起吊臂；

用于驅(qū)動(dòng)升降桿上下升降的升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

以及在升降桿上升到位后驅(qū)動(dòng)起吊臂轉(zhuǎn)動(dòng)的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，通過升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)膽位置的調(diào)整，全程不需要人力操作，大大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了安裝精準(zhǔn)度。

本發(fā)明中的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)可采用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，例如可采用專利文獻(xiàn)201510248812.2的結(jié)構(gòu)，包括上保護(hù)膽，測(cè)量膽以及下保護(hù)膽等，通過測(cè)量膽實(shí)現(xiàn)對(duì)絕熱材料性能的測(cè)試。內(nèi)膽通過可拆卸的連接管結(jié)構(gòu)與外筒的上蓋固定。其中起吊臂一般與升降桿垂直設(shè)置，形成倒L型的起吊機(jī)構(gòu)。起吊臂上一半可根據(jù)需要設(shè)置與上蓋上配合的固定件，實(shí)現(xiàn)對(duì)上蓋和內(nèi)膽的固定，從而實(shí)現(xiàn)起吊。

作為優(yōu)選，所述升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)；

所述升降桿包括：

固定有所述起吊臂的上螺桿；

與所述上螺桿底端同軸套嵌設(shè)置且相互嚙合的下螺桿；

所述下螺桿在所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)下螺桿的升降。

作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述下螺桿頂部為與所述上螺桿套嵌的套筒結(jié)構(gòu)，上螺桿底部插入該套筒結(jié)構(gòu)內(nèi)，且相互嚙合傳動(dòng)。

所述步進(jìn)電機(jī)一般設(shè)置在下螺桿底部，實(shí)現(xiàn)對(duì)下螺桿的驅(qū)動(dòng)。上下螺桿相互套嵌嚙合，在完成傳動(dòng)的同時(shí)，對(duì)上螺桿的升降運(yùn)動(dòng)也起到了定位導(dǎo)向的作用。

作為優(yōu)選，所述上螺桿外壁套設(shè)有頂部與上螺桿頂部轉(zhuǎn)動(dòng)配合的外套筒；所述起吊臂固定在該外套筒頂部；

所述擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：

與所述外套筒周向相對(duì)固定、軸向滑動(dòng)設(shè)置的轉(zhuǎn)向抱環(huán)；

固定在安裝框架上的擺臂，擺臂的一端與所述轉(zhuǎn)向抱環(huán)樞接；

驅(qū)動(dòng)擺臂動(dòng)作的擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與所述擺臂的另一端傳動(dòng)連接。

通過外套筒，方便了轉(zhuǎn)向抱環(huán)和擺臂的固定，避免擺動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)升降桿直接施加轉(zhuǎn)動(dòng)外力。同時(shí)，可通過外套筒實(shí)現(xiàn)對(duì)升降桿的加強(qiáng)定位，避免升降桿產(chǎn)生晃動(dòng)，增強(qiáng)其起吊強(qiáng)度。而且，通過外套筒，也可以避免異物進(jìn)入到上下螺桿內(nèi)部。

所述擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般可采用氣缸或者電機(jī)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。在升降桿上升到位后，可通過擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向抱環(huán)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)起吊臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為優(yōu)選，所述外套筒外套設(shè)有可軸向滑動(dòng)且周向固定的安裝筒；

所述安裝框架上固定有與所述安裝筒轉(zhuǎn)動(dòng)配合且軸向相對(duì)固定的軸承座；

所述轉(zhuǎn)向抱環(huán)固定在所述安裝筒上。

通過設(shè)置安裝筒，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向抱環(huán)的固定；而且，通過軸承座實(shí)現(xiàn)了對(duì)外套筒的進(jìn)一步定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)升降桿和起吊臂的進(jìn)一步定位。

作為優(yōu)選，所述外套筒上設(shè)有軸向布置的滑槽；

所述安裝筒上設(shè)有與所述滑槽滑動(dòng)配合的滑動(dòng)軸銷。

作為優(yōu)選，所述外筒或內(nèi)膽外壁設(shè)有盤管，外接冷熱源機(jī)組用于控制外壁溫度。使得本發(fā)明中內(nèi)膽溫度可控，更加穩(wěn)定。作為優(yōu)選，所述外筒外壁設(shè)有盤管。

作為優(yōu)選，所述抽真空單元包括通過擋板閥與外筒的抽真空口對(duì)接的分子泵，以及與分子泵氣體通道連通的渦旋干泵。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述渦旋干泵與外筒內(nèi)腔之間還設(shè)有預(yù)抽管路，該管路上設(shè)有預(yù)抽閥。這樣，在分子泵啟動(dòng)前，首先利用機(jī)械分子泵對(duì)外筒內(nèi)腔進(jìn)行預(yù)抽，當(dāng)達(dá)到要求后，再關(guān)閉預(yù)抽管路，開啟擋板閥和分子泵，進(jìn)一步保護(hù)分子泵。

作為優(yōu)選，還包括連接在內(nèi)膽和數(shù)據(jù)采集單元之間的鼓泡器，該鼓泡器包括：

用于盛放液體介質(zhì)的鼓泡腔體，該鼓泡腔體側(cè)壁設(shè)有透明觀察窗；

底端靠近鼓泡腔體底側(cè)內(nèi)壁的進(jìn)氣管；

底端靠近鼓泡腔體頂側(cè)內(nèi)壁的出氣管；

用于調(diào)整鼓泡腔體內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)管。

采用本發(fā)明的鼓泡器，安裝方便，密封性更好。其中測(cè)量膽和保護(hù)膽出氣口各連接一個(gè)鼓泡器，使得他們之間壓力不同，進(jìn)而改變蒸發(fā)溫度，防止液體倒流。同時(shí)采用鼓泡器，通過其透明觀察窗可以觀察蒸發(fā)氣體的速率，同時(shí)可以調(diào)節(jié)出氣的溫度、濕度，以及控制壓強(qiáng)，便于測(cè)量。而且對(duì)排出的氣體起到了冷凝作用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

(1)本發(fā)明采用升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)膽的自動(dòng)升降和水平位置的調(diào)整，不需要人力干預(yù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；

(2)通過采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及上下螺桿相互套嵌嚙合的傳動(dòng)方式，保證本發(fā)明的升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定性和安全性大大提高，實(shí)用性增強(qiáng)。

(3)本發(fā)明在外筒或者內(nèi)膽外壁設(shè)置盤管加熱機(jī)構(gòu)，內(nèi)膽外壁溫度可在-50℃到100℃可調(diào)，控制精度±1℃，均勻性±2℃，進(jìn)一步保證了多層絕熱材料的測(cè)試精度。

(4)本發(fā)明采用分子泵和渦旋干泵的無油真空系統(tǒng)組合，徹底保證真空環(huán)境清潔無油。系統(tǒng)的漏率小于10^-11Pa·m/s，空載極限真空小于10^-5Pa(通入液氮后，溫度降低，極限真空更小)。

(5)本發(fā)明采用自制的鼓泡器，安裝方便，整體美觀，保證了測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

(6)本發(fā)明中，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制可以通過軟件來直接操作，以前的儀器的操作都是通過儀器上的開關(guān)完成的，保證本發(fā)明更加人性化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的用于絕熱材料性能檢測(cè)的測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的安裝框架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明量熱器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的剖視圖；

圖5是本發(fā)明的升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是圖5的剖視圖；

圖7是本發(fā)明的鼓泡器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明的量熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本發(fā)明的氣體流量計(jì)測(cè)量表觀熱導(dǎo)率試驗(yàn)裝置原理圖。

具體實(shí)施方式

如圖1～4所示，一種用于多層絕熱材料性能檢測(cè)的測(cè)試裝置，包括安裝框架1、固定在安裝框架1上的外筒2、設(shè)于外筒內(nèi)的內(nèi)膽3、與外筒連接的抽真空單元4以及數(shù)據(jù)采集單元，安裝框架1還安裝有用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)膽升降和水平移動(dòng)的升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)30，同時(shí)還還設(shè)有顯示屏31。

安裝框架1為整個(gè)測(cè)試裝置提供支撐。

外筒2和內(nèi)膽3的結(jié)構(gòu)可參見申請(qǐng)?zhí)枮?01510248812.2的專利文獻(xiàn)，本發(fā)明未詳細(xì)講解的部分均可參考該專利文獻(xiàn)。如圖4中所示，作為本發(fā)明的一個(gè)創(chuàng)新，外筒2(圖中(b))或內(nèi)膽3(圖中(a))外壁設(shè)有加熱盤管5，通過加熱盤管5，內(nèi)膽外壁溫度可在-50℃到100℃可調(diào)，控制精度±1℃，均勻性±2C，進(jìn)一步保證了多層絕熱材料的測(cè)試精度。

如圖5和圖6所示，作為另一個(gè)創(chuàng)新，本發(fā)明的升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括外套筒6、升降桿7、起吊臂8、安裝筒9、軸承座10、轉(zhuǎn)向抱環(huán)11、驅(qū)動(dòng)電機(jī)12和固定支架13，上述部件的連接和傳動(dòng)關(guān)系如下：

升降桿7包括上螺桿14和下螺桿15；上螺桿14外壁設(shè)有傳動(dòng)螺紋。下螺桿15頂部為與上螺桿14套嵌的套筒結(jié)構(gòu)，套筒結(jié)構(gòu)內(nèi)壁設(shè)有與上螺桿14嚙合的傳動(dòng)螺紋。上螺桿底端插入下螺桿內(nèi)切通過相互嚙合的螺紋實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，將下螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)化為上螺桿的升降直線位移，從而實(shí)現(xiàn)升降桿的升降運(yùn)動(dòng)。下螺桿15底部通過軸承結(jié)構(gòu)與固定支架13固定，固定支架13固定在支撐框架1上，實(shí)現(xiàn)對(duì)升降桿的支撐定位。下螺桿15底部與驅(qū)動(dòng)電機(jī)12的輸出齒輪嚙合傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)12提供升降桿的原始驅(qū)動(dòng)力，通過下螺桿傳動(dòng)值上螺桿，進(jìn)而傳動(dòng)至起吊臂，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)膽的升降和移位。

上螺桿14外同軸套設(shè)有外套筒6，外套筒6頂端通過軸承結(jié)構(gòu)與上螺桿14安裝定位，外套筒6可相對(duì)上螺桿14自由轉(zhuǎn)動(dòng)。外套筒6上固定有所述的起吊臂8，起吊臂8與上螺桿軸向垂直設(shè)置。起吊臂8上設(shè)有與外筒頂蓋固定的起吊件，比如法蘭盤結(jié)構(gòu)、起吊鉤等。

外套筒6外套設(shè)有可軸向滑動(dòng)且周向固定的安裝筒9；安裝筒9中部為徑向向外凸起的定位部17。安裝框架1上固定有軸承座10；安裝筒9通過定位部17與軸承座10實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)配合和軸向相對(duì)固定，兩者之間通過軸承件傳動(dòng)。外套筒上設(shè)有軸向布置的滑槽16，安裝筒9通過一段插入滑槽16內(nèi)的軸銷實(shí)現(xiàn)安裝筒9與外套筒的周向定位。

安裝筒9底部外壁固定有轉(zhuǎn)向抱環(huán)11。轉(zhuǎn)向抱環(huán)11具有環(huán)形的抱緊部，套設(shè)在安裝筒上，通過螺栓或者銷釘?shù)葘?shí)現(xiàn)與安裝筒之間的固定。抱緊部的外壁固定有鉸接部18。支撐框架1上固定有擺臂安裝座19，用于固定擺臂和擺臂的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，比如可以是電機(jī)或者是氣缸等。擺臂的自由端與轉(zhuǎn)向抱環(huán)樞接，另一端受驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

作為另外一個(gè)創(chuàng)新，本發(fā)明的真空單元采用無油的分子泵-渦旋干泵組合，徹底避免了油污污染。即抽真空單元包括通過擋板閥28與外筒對(duì)接的分子泵29，以及與分子泵29氣體通道連通的渦旋干泵30。

參考圖7，還包括連接在內(nèi)膽和數(shù)據(jù)采集單元之間的鼓泡器(圖1中省略)，該鼓泡器包括用于盛放液體介質(zhì)的鼓泡腔體20，該鼓泡腔體側(cè)壁設(shè)有透明觀察窗21；鼓泡腔體頂部設(shè)有底端靠近鼓泡腔體底側(cè)內(nèi)壁的進(jìn)氣管22、底端靠近鼓泡腔體頂側(cè)內(nèi)壁的出氣管23以及用于調(diào)整鼓泡腔體內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)管24。出氣管23、進(jìn)氣管22均設(shè)有接頭結(jié)構(gòu)，便于與保護(hù)膽和測(cè)量膽的出氣口導(dǎo)通。

上面是本發(fā)明的主要改進(jìn)點(diǎn)，其余未詳細(xì)描述的結(jié)構(gòu)均可參考現(xiàn)有的專利文獻(xiàn)。

多層絕熱材料測(cè)量平臺(tái)可分為兩種：一種是針對(duì)材料試樣的圓柱型量熱器，其在測(cè)量容器的上下表面各有一個(gè)保護(hù)容器(即上、下保護(hù)膽)，測(cè)量容積較小(一般小于50L)，由于其上下保護(hù)容器的存在，從而消除了來自圓柱形測(cè)量容器上下兩個(gè)表面的傳熱。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，利用低溫液體的蒸發(fā)量可計(jì)算出(即測(cè)量膽)通過測(cè)量筒圓柱表面的漏熱量，最后計(jì)算得到材料試樣的表觀熱導(dǎo)率與比熱流。

其中，表觀熱導(dǎo)率計(jì)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為表觀導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)；

Q為測(cè)量容器的漏熱量，單位為W；

T₂為穩(wěn)態(tài)下的熱壁溫度，單位為K；

T₁代為穩(wěn)態(tài)下的冷壁溫度，單位為K；

r為測(cè)量容器的外半徑，單位為m；

δ為試樣的厚度，單位為m，可以直接測(cè)量得到；

l代表測(cè)量容器的長(zhǎng)度，單位為m。

比熱流計(jì)算公式如下：

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

式中：

q為通過絕熱材料的比熱流，單位為W/m²；

Q為測(cè)量容器的漏熱量，單位為W；

A為熱流通過的面積，單位為m²。

另一種測(cè)量平臺(tái)主要是研究較大容積(大于500L)的絕熱技術(shù)，此類測(cè)量平臺(tái)真空夾層中只有一個(gè)內(nèi)容器，系統(tǒng)漏熱不僅要考慮來自上下封頭上的漏熱，還應(yīng)考慮容積支撐結(jié)構(gòu)上的漏熱，以及絕熱材料各連接處的漏熱，因此此類漏熱計(jì)算就顯得非常復(fù)雜，其測(cè)試結(jié)果與大型低溫容器實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合較為接近。

由于大容器外壁與內(nèi)容器壁面之間的傳熱類似于平板之間的傳熱，所以其表觀導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式簡(jiǎn)化為：

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

式中：

λ為表觀導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)；

Q為測(cè)量容器的漏熱量，單位為W；

T₂為穩(wěn)態(tài)下的熱壁溫度；

T₁為穩(wěn)態(tài)下的冷壁溫度；

δ為試樣的厚度，單位為m；

比熱流q計(jì)算公式同式(2)，值得注意的是式中A的計(jì)算應(yīng)加上容器的兩個(gè)封頭的表面積。

前一種量熱器容積較小，可稱為理論試驗(yàn)平臺(tái)，也就是本發(fā)明所采用的測(cè)試方法；后者量熱器容積較大，可稱為工業(yè)化試驗(yàn)平臺(tái)。目前，前者絕熱性能衡量指標(biāo)為比熱流和表觀熱導(dǎo)率，后者的衡量指標(biāo)為比熱流和靜態(tài)蒸發(fā)率。

本發(fā)明基于液氮蒸發(fā)率的多層絕熱樣品測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該系統(tǒng)主要由量熱器系統(tǒng)(包括升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、外筒以及內(nèi)部部件)、高真空系統(tǒng)(包括分子泵和-渦旋干泵)、測(cè)量系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示(未包含測(cè)量系統(tǒng))。經(jīng)過這一年的努力，隨著對(duì)這項(xiàng)研究工作認(rèn)識(shí)程度的深入，經(jīng)歷了兩輪大的修改和若干小的調(diào)整，目前該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)真空1.5×10^-5Pa，其中1×10^-3Pa～1×10⁵Pa真空范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)千分之二精度的真空測(cè)量要求，樣品室具備自由更換的條件，同時(shí)測(cè)量可滿足數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集。

1)量熱器系統(tǒng)

量熱器的結(jié)構(gòu)如圖8所示，外筒2采用奧氏體不銹鋼304制成，內(nèi)徑316mm，壁厚5mm，內(nèi)外表面電解拋光，漏率小于10^-11Pa·m/s。內(nèi)膽3采用外徑130mm(國(guó)標(biāo))不銹鋼管制成，壁厚1.5mm，外表面鏡面拋光。上保護(hù)膽25長(zhǎng)度450mm，測(cè)量膽26長(zhǎng)度380mm，下保護(hù)膽27長(zhǎng)度150mm。各膽之間間距3mm，整個(gè)測(cè)量膽(或者內(nèi)膽)的換熱面積為0.1516m²，測(cè)試容積為4.8137L。

真空罐(即外筒2)上蓋采用氟膠圈(FKM)密封，與量熱管(即內(nèi)膽3)連接采用可拆卸的接口，可以快速更換量熱管，由于氟膠圈可以重復(fù)使用，所以可以節(jié)省準(zhǔn)備時(shí)間和成本。

為了便于測(cè)試樣品更換的方便，量熱器內(nèi)膽在保護(hù)膽和測(cè)量膽的管子上設(shè)置了可拆接口，通過CF16接口連接。而且為了消除管子在連接過程中的應(yīng)力集中，連接測(cè)量膽的管子接口上還設(shè)置了波紋管。

量熱器外筒壁上布置有抽真空接口，為了獲取更高的真空度，臥式分子泵直接從外筒壁側(cè)面通過擋板閥對(duì)接腔體(如圖8所示，在量熱器上保護(hù)膽的外側(cè)，圖1中，真空接口設(shè)置在靠近底部的位置，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整和選擇)。抽氣口直徑150mm，真空系統(tǒng)采用安捷倫真空TV-701分子泵和渦旋干泵的無油真空系統(tǒng)組合。徹底保證真空環(huán)境清潔無油。系統(tǒng)的漏率小于10^-11Pa·m/s，空載極限真空小于10^-5Pa(通入液氮后，溫度降低，極限真空更小)。

外筒2上放置10個(gè)真空規(guī)接口，分別為5個(gè)薄膜電容規(guī)，1個(gè)全量程真空規(guī)，其余備用。國(guó)產(chǎn)電離規(guī)管和電阻規(guī)可用于相互比對(duì)并且可做為備用規(guī)管。量熱器上法蘭處預(yù)留了4只高真空引線(10芯)接頭，可用于滿足溫度測(cè)量或其他信號(hào)的采集。

為了能獲得穩(wěn)定可調(diào)的真空范圍，在外筒2上半段設(shè)置了一個(gè)針閥，用于控制放氣速率從而改變外筒2內(nèi)真空度，從而得到不同真空度下多層絕熱材料的表觀熱導(dǎo)率數(shù)值。也就是說，在分子泵開啟的條件下，通過調(diào)節(jié)針閥，可以獲得1.5×10^-5Pa～1×10^-1Pa的真空范圍；在分子泵關(guān)閉的條件下，通過調(diào)節(jié)針閥，可以獲得1×10^-1Pa～1×10⁴Pa的真空范圍。

外筒頂板采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升和下降，方便操作。臺(tái)面支腳采用鋁型材方管框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)臺(tái)面采用鋼板噴塑處理，上表面敷設(shè)不銹鋼板，四面均用活動(dòng)門將臺(tái)面框架密封起來，外形美觀大方。

2)高真空系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)的特殊性，需要考慮到無任何氣體排放以及不需要供水。常用的真空泵無法滿足要求，因此真空系統(tǒng)采用安捷倫的SH-110渦旋干泵、以及KYKY的分子泵FF63-70組成，以使得量熱器工作在優(yōu)于10^-3Pa的高真空下。

由于真空度對(duì)于絕熱性能有著顯著的影響，精確測(cè)準(zhǔn)真空是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。從文獻(xiàn)資料來看，拐點(diǎn)一般出現(xiàn)在10^-2～10^-3Pa之間，因此，能測(cè)準(zhǔn)1×10^-3Pa～1×10⁵Pa是該量熱器的關(guān)鍵。

電阻真空規(guī)管采用經(jīng)過穩(wěn)定化處理，熱容量極小的熱絲作為真空敏感元件，其可測(cè)范圍為1×10⁵Pa～1×10^-1Pa，有效測(cè)量范圍為2.5×10³Pa～5.0×10^-1Pa。測(cè)量精度±25％(3×10³Pa～1×10^-1Pa)。

電離規(guī)利用陰極發(fā)射的電子流電離氣體，所產(chǎn)生的離子流與所處真空度相關(guān)的原理來測(cè)量真空度。其可測(cè)范圍為4Pa～1×10^-5Pa，有效測(cè)量范圍為4Pa～5.0×10^-5Pa，測(cè)量精度在10^-2Pa附近為±20％。

電容式薄膜真空計(jì)由電容式薄膜規(guī)管、測(cè)量電橋電路、直流補(bǔ)償電源、低頻振蕩器、低頻放大器、相敏檢波器和指示儀表等組成。電容式薄膜規(guī)管的中間裝著一張金屬?gòu)椥阅て?，在膜片的一?cè)裝有一個(gè)固定電極，當(dāng)膜片兩側(cè)的壓差為零時(shí)，固定電極與膜片形成一個(gè)靜態(tài)電容C₀。金屬?gòu)椥阅て瑢⒈∧ふ婵找?guī)管隔離成兩個(gè)室，分別為接被測(cè)真空系統(tǒng)的測(cè)量室和接高真空系統(tǒng)的參考?jí)毫κ摇Ｔ谶@兩個(gè)室的連通管道上設(shè)置一個(gè)高真空閥門。測(cè)量時(shí)，先用高真空抽氣系統(tǒng)將規(guī)管內(nèi)膜片兩側(cè)的空間抽至參考?jí)毫?。同時(shí)調(diào)節(jié)測(cè)量電橋電路，使之平衡。然后測(cè)量室接通被測(cè)真空系統(tǒng)。由于規(guī)管中的壓力差，膜片發(fā)生應(yīng)變引起電容C₀改變，破壞了測(cè)量電橋電路的平衡，指示儀表就會(huì)有相應(yīng)的顯示，因此該類真空計(jì)具有較高的真空測(cè)量精度。

為此，通過上面的分析，我們選用INFICON薄膜電容規(guī)5個(gè)，分別是0.01Torr、0.1Torr、1Torr、10Tor、100Torr以及1000Torr；同時(shí)，選用INFICON公司的復(fù)合規(guī)BPG400，其量程范圍在5×10^-8Pa～大氣壓，在5×10^-10Pa-10⁴Pa范圍內(nèi)，其測(cè)量精度為±15％，其它范圍測(cè)量精度為±50％。同時(shí)，還安裝了成都正華的電離規(guī)ZJ-27。也就是說，在所需要特別關(guān)注的1×10^-3Pa～1×10⁵Pa的真空范圍內(nèi)，有來自薄膜電容規(guī)的高精度數(shù)據(jù)來保障，復(fù)合規(guī)以參考；在優(yōu)于1×10^-3Pa時(shí)，有復(fù)合規(guī)和電離規(guī)的數(shù)據(jù)來相互驗(yàn)證。

3)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是基于LABView軟件開發(fā)針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的操作和數(shù)據(jù)采集的程序。

控制系統(tǒng)主要是通過凌華科技PCI-7230的數(shù)字I/O卡來控制渦旋干泵，分子泵，以及預(yù)抽閥，前級(jí)閥，插拔閥，通過程序直接控制儀器。通過程序，對(duì)儀器和開關(guān)進(jìn)行互鎖，保護(hù)儀器。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括氣體流量采集系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)與溫度采集系統(tǒng)組成。壓力采集主要通過Inficon的真空計(jì)和VGC503真空控制器連接，可以直接讀取真空數(shù)值，通過VGC503和電腦連接，通過labview程序來讀取真空。

目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要采用氣體質(zhì)量流量計(jì)或濕式氣體流量計(jì)測(cè)量蒸發(fā)的液氮?dú)怏w流量。氣體質(zhì)量流量計(jì)既可進(jìn)行氣體流量計(jì)量工作，也可用于過程控制領(lǐng)域，而且無須溫壓補(bǔ)償，即可直接測(cè)出流體的質(zhì)量流量。還擁有沒有可動(dòng)部件，壓力損失小，量程比寬，響應(yīng)時(shí)間快，精度高，可靠性高，安裝簡(jiǎn)單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，所以目前國(guó)內(nèi)測(cè)量氣體流量大部分使用氣體質(zhì)量流量計(jì)。本文選用MKS的氣體質(zhì)量流量計(jì)2個(gè)，其測(cè)試范圍為0～5L/min，以及0～200L/min，精度為滿量程的±1％。

溫度計(jì)通過LabVIEW軟件相連進(jìn)行溫度的采集與記錄，更直觀準(zhǔn)確的得到內(nèi)外壁溫度，從而得到更準(zhǔn)確的表觀熱導(dǎo)率計(jì)算值。溫度測(cè)量可采用熱電偶溫度計(jì)或是鉑電阻溫度計(jì)，本發(fā)明中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)溫度采集使用PT-100鉑電阻溫度計(jì)，分別布置在上下保護(hù)容器與測(cè)量容器的內(nèi)外側(cè)，鉑電阻溫度計(jì)的精度為0.1K，采用四線法連接，利用Keithly 2700型數(shù)字萬用表測(cè)量電阻信號(hào)，從而通過LabVIEW軟件進(jìn)行溫度采集與記錄。

4)輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包含檢漏和液氮供應(yīng)以及恒溫系統(tǒng)。

檢漏儀選用中科科儀ZQJ-542型檢漏儀，其主要由分子泵、質(zhì)譜室、組合閥體，機(jī)械泵以及控制電路板等組成。其檢漏范圍為5×10^-12～1Pa·m³/s。試驗(yàn)前需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏，確保系統(tǒng)的漏放氣速率符合標(biāo)準(zhǔn)。外筒頂部位置設(shè)置有撿漏閥31。

液氮供應(yīng)系統(tǒng)包含兩個(gè)液氮儲(chǔ)罐，一個(gè)是高壓罐，另一個(gè)是低壓罐。試驗(yàn)中，將低壓罐內(nèi)的液氮加注到量熱器的保護(hù)膽和測(cè)量膽。量熱管外層采用油浴保溫。通過銅管(即加熱盤管5)盤繞銅屏實(shí)現(xiàn)外界外徑溫度隔離。加熱盤管5內(nèi)油浴控溫范圍-±50℃可調(diào)，可控溫，控制精度±1℃，均勻性±2℃。

試驗(yàn)原理

當(dāng)系統(tǒng)漏熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，測(cè)量從測(cè)量膽內(nèi)蒸發(fā)出的氮?dú)饬髁縑與冷、熱壁的溫度T_c與T_h，結(jié)合實(shí)測(cè)得到的多層絕熱材料纏繞厚度δ、氣體流量計(jì)出口處氮?dú)鉁囟萒₁、壓力P₁，計(jì)算求得該系統(tǒng)下高真空多層絕熱用材料的表觀導(dǎo)熱系數(shù)λ與比熱流q，測(cè)試原理如圖9。

按式(4)與(5)分別計(jì)算真空多層絕熱材料的表觀導(dǎo)熱系數(shù)與比熱流：

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

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

式中：

λ為表觀熱導(dǎo)率，單位為W/(m·K)；

V為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，蒸發(fā)的氮?dú)饬髁吭谝恍r(shí)內(nèi)的平均值，單位為m³/s，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到；

L為液氮的汽化潛熱，單位為J/kg；

ρ_g為273.15K下氮?dú)鈿怏w密度，單位為kg/m³；

P₁、T₁為試驗(yàn)條件下流量計(jì)出口處氮?dú)獾膲毫蜏囟?單位分別為Pa、K；

P₀、T₀為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力和溫度(1.0133×10⁵Pa，273.15K)；

T_h為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，熱壁溫度在一小時(shí)內(nèi)的平均值，單位為K，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到；

T_c為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，冷壁溫度在一小時(shí)內(nèi)的平均值，單位為K，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到；

r為測(cè)量容器的外半徑，單位為m；

δ為試樣的厚度，單位為m，根據(jù)測(cè)量值計(jì)算得到；

l為測(cè)量容器的長(zhǎng)度，單位為m。

試驗(yàn)步驟

首先應(yīng)使用四氯化碳或丙酮對(duì)處于真空的表面進(jìn)行清洗，以防不潔物影響真空度。對(duì)多層絕熱材料進(jìn)行24小時(shí)烘干處理，以排除材料中絕大部分水分，并且確保材料表面無油漬等雜物，然后再進(jìn)行絕熱材料的包扎。

1)真空多層絕熱材料的包扎

包扎絕熱材料步驟如下：

1)在量熱器內(nèi)容器的上保護(hù)膽、測(cè)量膽和下保護(hù)膽上布置并粘貼冷壁測(cè)溫點(diǎn)(可按測(cè)溫儀測(cè)溫通道數(shù)多少平均分配布置，最少布置3點(diǎn))，要求測(cè)溫點(diǎn)布置可靠，記錄測(cè)溫點(diǎn)位置及編號(hào)；

2)將試樣纏繞在量熱器內(nèi)膽上，要求纏繞包覆時(shí)操作人員佩戴手套、纏繞均勻，并做好纏繞標(biāo)記記錄纏繞層數(shù)；用帶刻度的測(cè)針從垂直于外表面的方向穿透試樣全厚度，試樣外表面所指測(cè)針刻度值即為實(shí)測(cè)厚度。從6個(gè)均勻分布的測(cè)點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)δ取6點(diǎn)測(cè)量記錄的平均值。測(cè)針在每次試驗(yàn)前應(yīng)用酒精擦拭干凈。記錄實(shí)測(cè)材料厚度δ；

3)在試樣最外層表面與冷壁測(cè)溫點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置布置粘貼熱壁測(cè)溫點(diǎn)，要求測(cè)溫點(diǎn)布置可靠，記錄測(cè)溫點(diǎn)位置及編號(hào)；

4)將纏繞好試樣的量熱器內(nèi)容器放入量熱器外筒中，確保密封良好。

2)抽真空

首先確保管路連接正確，密封量熱器真空腔，在量熱器內(nèi)膽內(nèi)壁和外殼外壁用電加熱器加熱去除氣，同時(shí)打開預(yù)抽閥，用渦旋干泵進(jìn)行抽真空，；真空腔壓力達(dá)到5Pa以下時(shí)，關(guān)閉預(yù)抽閥，打開前級(jí)閥以及插板閥，開啟分子泵進(jìn)行抽真空。

當(dāng)量熱器夾層真空度優(yōu)于1×10^-1Pa時(shí)，向量熱器上下保護(hù)容器及測(cè)量容器內(nèi)緩慢加注液氮，直至液氮溢出，確保在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，夾層真空度優(yōu)于1×10^-2Pa(冷態(tài))。

3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

每隔10min記錄一次氣體流量計(jì)流量、流量計(jì)出口處溫度T₁及壓力P₁，當(dāng)一小時(shí)內(nèi)流量的變化范圍小于5％時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，繼續(xù)記錄接下來一小時(shí)的流量，以此計(jì)算平均流量V；

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，每隔10min記錄一次試樣的冷、熱壁溫度T_c與T_h，持續(xù)記錄一小時(shí)；

測(cè)量期間每隔30min向量熱器的上、下保護(hù)膽加注液氮，直至注滿為止。