一种用于真空低温环境下的防护热板法导热系数测量装置的制作方法

1.本发明装置涉及的是一种导热系数测量装置技术领域，涉及一种用于高真空和高、低温环境下的双式件防护热板法导热系数测量装置。


背景技术：

2.绝热材料是指能有效阻滞热流传递的材料，广泛地应用建筑节能、低温液体贮存和航空航天系统热防护等领域。保温材料的主要性能指标之一材料的等效导热系数和热阻。绝热材料往往由多孔或者多层材料组成，测量其导热系数的主要方法之一是稳态的防护热板方法。国家标准gb/t 10295-2008中对防护热板法导热系数仪的设计提出了指导性的意见。
3.在目前的应用实践中，防护热板测试装置主要用于常温、高温和普冷范围，能够有效应用于液氮温区的导热系数测量的装置较少。在当前低温防护热板法等效导热系数装置研究中，往往将装有样品的真空罩放置于液氮杜瓦内部，并通过电加热和液氮杜瓦内的辐射制冷形成热平衡而进行温度控制，这种方法中测试台不与液氮接触，将导致达到热平衡需要很长的时间，测试效率低。
4.近年来，也有直接将液氮通入测试台冷板内部进行快速降温的防护热板装置，但是其一般允许的最高真空度只有0.05pa左右，很难够适用于高真空测量的需求。
5.同时，在传统的低温、真空防护热板导热系数测量装置中，往往都需要手动放样和调整夹紧力，这也可能会引入额外的人为操作误差。
6.因此，当前有必要开发一款能够应用于高真空下、液氮温区内的防护热板法导热系数测量装置，以应用于真空、低温条件下的保温材料等效导热系数和热阻测试。


技术实现要素：

7.基于此，本发明公开了一种真空、低温环境下的防护热板法导热系数测量装置，以解决现有装置测试时间长或最高可测真空度低等问题。本发明装置可应用于测量-160℃～280℃、环境真空度为10-4
pa量级～105pa下保温材料的等效热导率和热阻，测试对象主要包括多孔绝热材料，建筑节能材料，真空多层材料等，测量对象的形态包括固体和粉末等。
8.与现有技术相比，本发明专利装置的有益效果是显而易见的。本发明装置设计了双式样的平板法导热系数测量装置，通过在装置中设置上、下热沉和周围热沉板，并将液氮通入到热沉板直接中对电加热板进行降温，大大提高了降温速度和测试效率。
9.同时，本装置设计了由多层镜面不锈钢组成的多层绝热保温结构，代替了常规的多孔介质保温材料。该保温结构具有放气率低的优点，使得装置可以实现真空度10-4
pa量级下的材料导热系数测试。
10.此外，本装置设计了热板固定，上、下冷板向中合拢的样品夹紧方式，并通过波纹管传递动力，从而可以对上下样品分别自动测压和测厚，能有效避免人工操作引起的测试重复误差。
11.一种用于真空低温环境下的防护热板法导热系数测量装置，包括：
12.真空容器，所述真空容器的上、下对称设置升降台，所述上升降台联动上冷板组件，所述上冷板组件压在样品的上表面，所述下升降台联动下冷板组件，所述下冷板组件压在样品的下表面；
13.在所述真空容器中，样本分为两个，分别放置于热板组件的上表面和下冷板组件的上表面；
14.所述真空容器两侧分别设置有冷却工质的进口和出口，以在真空容器内形成低温。
15.在本发明的一个优选实施例中，所述真空容器内设置隔热层，隔热层主要采用多层镜面不锈钢组成，在测量中将样本完全隔绝外部环境。
16.在本发明的一个优选实施例中，所述隔热层内设置上冷板组件、热板组件、次级防护热板组件和下冷板组件，所述次级防护热板组件设置于样本的周侧，所述次级防护热板组件固定于隔热层上，并通过金属软管与上冷板组件以及下冷板组件连接。
17.在本发明的一个优选实施例中，通过测量上冷板组件和下冷板组件的运动距离，分别得到两块样品各自的厚度。
18.在本发明的一个优选实施例中，所述冷板组件由冷板热沉和冷板加热测温板组成，热沉用于通入工质制冷，加热测温板用于电加热并测量冷板的温度。
19.在本发明的一个优选实施例中，所述热板组件由位于中心部位的计量热板加热板、计量热板测温板以及位于四周的防护热板加热板和防护热板测温板组成。
20.在本发明的一个优选实施例中，样品的等效导热系数可采用下式计算：
[0021][0022]
式中：
[0023]
p——计量热板组件测量得到的加热功率；
[0024]
a——计量热板组件的计量面积；
[0025]dup
——上样品的厚度，可在真空容器外自动测量；
[0026]ddown
——下样品的厚度，可在真空容器外自动测量；
[0027]
计量热板组件上下表面的平均温度t
h,up
、t
h,down
与上、下冷板组件贴近样品表面的平均温度t
c,up
和t
c,down
。
附图说明
[0028]
图1是本发明专利导热系数测量装置的试验台示意图。
[0029]
图中，1.称重传感器，2.手轮，3.蜗杆升降台，4.伺服电机，5.位移传感器，6.金属波纹管，7.真空容器，8.周围隔热层，9.上冷板组件，10.热板组件，11.次级防护热板组件，12.下冷板组件，13.真空抽气接口法兰，14.进气调节接口法兰，15.支撑导轨，16.冷却工质进口法兰，17.冷却工质出口法兰，18.电气接口法兰，19.样品，20.金属软管.
[0030]
图2是本发明专利导热系数测量试验台的各加热板示意图。
[0031]
图中，8.周围隔热层，20.金属软管，21.冷板热沉，22.冷板加热测温板，23.连接销
钉，24.次级防护板加热测温板，25.次级防护板热沉，26.计量热板测温板，27.计量热板加热板，28.防护热板加热板，29.防护热板测温板.
具体实施方式
[0032]
第一部分：专利的详细说明
[0033]
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利进行详细说明。
[0034]
一种用于真空低温环境下的防护热板法导热系数测量装置，包括：真空容器，所述真空容器的上、下对称设置升降台，所述上升降台联动上冷板组件，所述上冷板组件压在样品的上表面，所述下升降台联动下冷板组件，所述下冷板组件压在样品的下表面；在所述真空容器中，样本分为两个，分别放置于热板组件的上表面和下冷板组件的上表面；所述真空容器两侧分别设置有冷却工质的进口和出口，以在真空容器内形成低温。
[0035]
本发明专利导热系数测量装置的试验台示意图。其中7为真空容器，测试台的核心部件处于真空容器内部，真空容器的上、下两侧分别安装了运动控制装置，用于驱动冷板组件对样品进行加压。
[0036]
通过转动手轮2或者驱动伺服电机4带动蜗杆升降台3可进而带动上冷板组件9上下运动，从而对样品19进行加压。其中称重传感器1可用于测量样品所受到的压紧力，位移传感器5可测量样品19的厚度，而金属波纹管6用于保证在驱动过程中真空容器的密封。
[0037]
真空容器7的侧面布置真空泵接口法兰13、进气调节接口法兰14、冷却工质进口法兰16、冷却工质出口法兰17以及电接口法兰18。其中真空抽气接口法兰13用于安装分子泵组，进气调节接口法兰14用于安装破空进气阀门组件，通过进气调节真空度。冷却工质(液氮或者水等)从冷却工质进口法兰16流入，流经真空容器内试验台各个热沉板后，从冷却工质出口法兰17流出。电接口法兰18用于连接容器内外的测量和加热线路。
[0038]
真空容器的内部通过支撑导轨15安装有周围隔热层8，周围隔热层主要采用多层镜面不锈钢组成，能有效隔绝导热、对流和辐射传热，且具有较低的放气率，结合真空泵组，使得整个系统可以实现最高真空度10-4
pa下的导热系数测量。上冷板组件9、热板组件10、次级防护热板组件11和下冷板组件12均安装于周围隔热层8内部。
[0039]
其中次级防护热板组件11固定于周围隔热层上，并通过金属软管20与上冷板组件9以及下冷板组件10连接，金属软管20可保证冷板组件在上下运动时工质的不泄露。热板组件10固定安装于真空容器底部，样品19放置于热板组件10的上表面和冷板组件12的上表面。
[0040]
蜗杆升降台3可带动上冷板组件9压在样品19的上表面，同时下方的蜗杆升降台可带动下冷板组件和样品19压在热板组件10的下表面。
[0041]
热板组件10通过电加热为样品的热面提供较高的均匀温度场，其又由位于中心部位的计量热板加热板26和计量热板测温板27以及位于四周的防护热板加热板28和防护热板测温板29组成。计量热板和防护热板之间采用销钉23连接，这种结构使得计量热板和防护热板之间形成良好的隔热。
[0042]
冷板组件9、12上下对称，采用工质制冷和电加热耦合控温的方式为样品的冷面提供较低的均匀温度场。冷板组件9由冷板热沉21和冷板加热测温板22组成，热沉用于通入工质制冷，加热测温板用于电加热并测量冷板的温度。
[0043]
次级防护热板11为样品19的四周提供合适的温度，其由次级防护板热沉25和次级防护板家热测温板24组成。热沉板用于制冷，加热测温板用于提供电加热并控制温度。次级防护热板11布置在样品的左、右和后方，样品的正前方为具有保温效果的大门。
[0044]
应用本装置进行导热系数测试时，首先需要在热板组件10上放置一块样品19，同时下冷板组件12上放置一块样品19。之后控制电机4驱动蜗杆升降台3经称重传感器1带动上冷板组件9下压，将上样品压紧。同时下方的电机也带动下冷板12将样品压紧在热板组件10上。
[0045]
此时，可以通过测量上冷板组件9和下冷板组件12的运动距离，得到两块样品各自的厚度。而样品所受到的压紧力可通过称重传感器测量得到。同时，本装置中样品水平放置，因此配合合适的围挡框架，即可方便地用于粉末类材料导热系数的测量。
[0046]
之后通过真空抽气法兰13对真空容器7内部进行抽真空操作，同时可以利用进气调节接口法兰14对容器内部进气，调节真空度至所需的大小。
[0047]
接下来进行温度控制，通过冷却工质进口法兰16通入冷却工质(液氮或者水等)，冷却工质在冷板组件和次级防护热板组件中依次流通后从冷却介质出口法兰17流出，并对各组件进行制冷。此时启动电加热，热板组件、冷板组件和次级防护热板组件均开始进行电加热，且加热量可通过pid调节。当制冷和加热平衡时，各板的温度趋于稳定，则可记录此时计量热板组件上下表面的平均温度t
h,up
、t
h,down
与上、下冷板组件贴近样品表面的平均温度t
c,up
和t
c,up
，并利用其进行导热系数计算。
[0048]
采用本装置测试时，样品的等效导热系数可采用下式计算：
[0049][0050]
式中：
[0051]
p——计量热板组件测量得到的加热功率；
[0052]
a——计量热板组件的计量面积；
[0053]dup
——上样品的厚度，可在真空容器外自动测量；
[0054]ddown
——下样品的厚度，可在真空容器外自动测量；
[0055]
采用本装置测试时，样品的等效热阻采用下式计算：
[0056][0057]
由以上描述可见，本装置中制冷工质可直接通入各个加热板中，使得系统降温速度大大提高；本装置中采用多层镜面不锈钢组成保温结构，其放气率低，有利于实现高真空度下的测量；本装置中设计了中间热板固定，上下冷板相对向中部运动的样品加载方式，结合波纹管传递动力，可对双样品同时进行加载和测厚，从而可以准确的计算样品的导热系数。
[0058]
以上所述的具体描述，对发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅作为本发明的具体实施案例而已，并不用于限定别发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。