一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，包括：泡沫样本，所述泡沫样本为柱体，包括上表面、下表面和侧面；为泡沫样本的下表面提供高温高湿环境的高温高湿箱；为泡沫样本的上表面提供低温环境的脉管制冷机；将所述泡沫样本的侧面绝热的样本套。本发明利用脉管制冷机冷却样本到液氢温区，避免了用液氦或液氢系统复杂的低温流体流动控制及安全系统，极大降低了装置操作复杂性及实验成本，且节约了装置占地面积，提高了操作安全性。
【专利说明】一种低温绝热用泡沬塑料吸湿增重测量装置【技术领域】
[0001]本发明涉及低温制冷工程【技术领域】，尤其涉及一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重
测量装置。
【背景技术】
[0002]低温绝热系统是以液氢、液氧为推进剂的火箭发动机系统关键技术之一。由于液氧饱和温度约为90K，液氢温度为20K，和室温的温差分别约为210K和280K，因此为了精确计算火箭有效载荷及所需要的燃料质量，绝热是必须的。国内外标准绝热方法是采用简单的低导热系数的泡沫材料作为绝热材料包裹在低温储罐外面或者里面。上世纪60年代，固体聚氨酯和聚异氰酸酯泡沫材料及其喷射技术应用于火箭低温储罐系统绝热获得了突破发展。直到现在，经过改进，这些技术依然被用于美国太空穿梭机(Shuttle), Delta IV和其他空间运载器低温系统的绝热。欧洲的阿里安I和阿里安V，以及我国的长征3之后的系列火箭也用类似的技术用于低温容器绝热。
[0003]除了绝热性能好，对绝热材料的另外一个要求是质量轻(密度低)。泡沫材料从微观上看，是由许多闭孔结构组成的多孔介质。在长期的温度梯度下，这些多孔介质内的残留气体由于液化而可能成为微型“低温泵”，吸收环境中的水蒸汽而导致质量大大增加。美国NASA对低温绝热用泡沫塑料已开展了长 期的实验研究，考察了该材料老化、风化情况下的吸湿增重。结果显示，泡沫材料在一面液氮温度，一面室温高湿环境下暴露8小时，吸湿增重约35%~80%，相当于增加火箭载荷几千公斤。因此，对泡沫塑料吸湿增重的定量测量对精确设计火箭推力有重要意义。
[0004]申请号为200910248607.0的中国专利公开了一种在加载状态下泡沫类绝热材料
低温热导率的测试装置，将冷板与冷腔设置为一体，冷腔由低温液体(液氦、液氢等)进行冷却，测试时只需将实验体置于冷板上，无需将整个实验单元浸入到低温液体中，减少了冷却过程中液氦或者液氢等低温液体的耗费量，降低测试成本，但该装置重点在于泡沫材料的热导率测量，与本
【发明内容】
完全不同。
[0005]申请号为201110203678.6的中国发明专利公开了一种利用液氮冷却泡沫塑料的吸湿增重实验装置，实现了样品一面超低温、另一面室温高湿极端环境下的吸湿增重测量，并且样品可方便地移走和安装。但该发明低温工质液氮只能将样本冷却到液氮温度(~78K)，不能有效模拟航天器内低温燃料储罐内的液氢温区的低温环境，进而无法精确计算火箭有效载荷及所需要的燃料质量。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种结构简单、测试方便、测试结果准确的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，该装置能够较精确地测量低温绝热用泡沫塑料的吸湿增重量，进而便于火箭等航天器的推动力设计。
[0007]一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，包括:[0008]泡沫样本，所述泡沫样本为柱体，包括上表面、下表面和侧面；
[0009]为泡沫样本的下表面提供高温高湿环境的高温高湿箱；
[0010]为泡沫样本的上表面提供低温环境的脉管制冷机；
[0011]将所述泡沫样本的侧面绝热的样本套。
[0012]所述的脉管制冷机为布置在真空室内的单级双向脉管制冷机，所述的单级双向脉管制冷机通过导热部件向泡沫样本的上表面提供低温环境。采用单级双向脉管制冷机可以达到小于20K的制冷温度，且对电磁、机械的干扰不敏感，能够在较低的制冷温度下保持较高的安全性。
[0013]所述的脉管制冷机靠近真空室底面的部分为冷头，所述的导热部件为与冷头连接的铜柱和支撑所述铜柱的铜盘，铜盘的下表面抵紧所述泡沫样本的上表面。金属铜的导热系数较高，能够将冷头的温度较好的传递给泡沫样本的上表面，即泡沫样本的上表面温度近似等于脉管制冷机的冷端温度。
[0014]所述的脉管制冷机为两个结构相同的并列布置在真空室内的单级双向脉管制冷机，两个脉管制冷机的冷头之间通过铜板相连。利用铜的导热系数大的优点，将两个脉管制冷机的冷头温度施加于泡沫样本的上表面，能够达到更好的制冷效果。
[0015]所述真空室的底面上正对冷头处设有波纹板，所述铜盘焊接在波纹板中心，作为真空室底面的一部分。该装置利用波纹板克服了热胀冷缩带来的应力集中，能始终保证样本、铜盘、铜柱和制冷机冷头相互之间紧密接触。同时，整个系统具有漏热最小化等优点。
[0016]为准确地模拟航天器中发动机的内外环境，需给泡沫样本的上、下表面分别提供一个近似发动机内部的液氧、液氢的低温环境和近似发动机外部的高温高湿环境，使泡沫样本的轴向上形成一个温度梯度，这就要求泡沫样本侧面的绝热性要好，因此，在泡沫样本的侧面套设一个样本套，防止由于泡沫样本的侧面散失一部分热量，使得测试结果不准确。
[0017]所述泡沫样本为圆柱体，所述样本套为与泡沫样本的侧面紧密贴合的中空圆柱。圆柱体与中空圆柱的紧密配合可最大限度的减小泡沫样本与样本套之间的缝隙，减少热量的散失，提高测量的精准性。
[0018]所述样本套的外径大于波纹板的直径；所述样本套的中空部分分上、下两段，上段的直径、深度分别与泡沫样本的直径、厚度相同；下段的直径比上段略小，形成台阶，所述泡沫样本放置在该台阶上，在泡沫样本与台阶之间夹有O型圈，以防止高温高湿箱产生的水蒸汽从泡沫样本与样本套之间的缝隙通过到达温度较低的铜盘表面而形成对流，从而极大增加漏热，使得测试结果不准确。
[0019]为减小样本套上表面与波纹板之间缝隙漏热，作为优选，所述样本套的外围包有圆柱形液氮槽，所述液氮槽为内、外双壁面结构，中间环形空间充有液氮。
[0020]进一步优选，所述液氮槽的内壁面的上部设有氮气排出孔，外壁面的下部连有液氮进口管。氮气排出孔的存在使液氮槽内蒸发的氮气溢出，目的是降低样本套的外表面与液氮槽之间缝隙的温度，从而减少通过样本套上表面与波纹板之间缝隙的气体对流和导热漏热。
[0021]为较准确的模拟航天器中发动机外部的环境，作为优选，所述高温高湿箱内的温度为29?31 °C，相对湿度为98%?99%。
[0022]本发明利用脉管制冷机冷却样本到液氢温区，避免了用液氦或液氢系统复杂的低温流体流动控制及安全系统，极大降低了装置操作复杂性及实验成本，且节约了装置占地面积，提高了操作安全性。另外，该装置利用波纹板克服了热胀冷缩带来的应力集中，能始终保证样本、铜盘、铜柱和制冷机冷头相互之间紧密接触。同时，整个系统具有漏热最小化等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置的结构示意图；
[0024]图2为利用本发明吸湿增重测量装置测试泡沫样本期间，制冷机的冷头及泡沫样本的上表面的温度随时间的变化曲线；
[0025]图3为利用本发明吸湿增重测量装置测试八组泡沫样本分别经过5小时和9小时
后吸湿增重量。
【具体实施方式】
[0026]如图1所示，一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，包括:泡沫样本6，该泡沫样本为柱体，包括上表面、下表面和侧面；为泡沫样本6的下表面提供高温高湿环境的高温高湿箱15 ;为泡沫样本6的上表面提供低温环境的脉管制冷机I ;将所述泡沫样本的侧面绝热的样本套6。
[0027]脉管制冷机I为两台完全相同的单级双向进气型脉管制冷机，每台制冷机I冷量为20W/20K，由额定功率为6.5kff的氦压缩机(德国莱宝)驱动。两台制冷机I垂直、并列放置于同一真空室5中，真空室5内的真空度< 10-3Pa。
[0028]脉管制冷机靠近真空室底面的部分为冷头2，冷头2尺寸为170X90mm(长X宽)，两个脉管制冷机I的冷头2间中心距离约为300mm，由一块厚10mm，宽IOOmm的铜板10热连接，铜板10选自高纯紫铜板紫铜板，具有较高的导热系数(20K?300K温区内的平均导热数> 400W/m.K)，能够将两个脉管制冷机的冷头温度施加于泡沫样本的上表面，达到更好的制冷效果。铜板10与冷头2通过螺栓连接，两者之间加铟片和低温导热胶以减小接触热阻。
[0029]真空室9为长方体，考虑制冷机方便安装，真空室9的底面11与真空室9上部为活动连接，通过共14颗MlO螺栓紧密连接。实际运行时，螺栓处可能温度低于0°C，两者之间通过方形聚四氟乙烯带密封。另外，在主脉管制冷机的冷头2正下方，真空室9的底面11一部分面积由直径为Φ 240mm的波纹板5构成，波纹板5共三个波纹，波高约6mm，波间距约12mm,与真空室9底面IS弧焊连接。波纹板5的中心位置为一直径为70mm,厚为8mm的铜盘4，两者通过真空钎焊连接，待测试的泡沫样本6紧贴在铜盘4的下表面。铜盘4与主脉管制冷机I的冷头2表面的距离为40mm,通过一直径为C>80mm的铜柱3热连接。波纹板5与铜柱3的组合，既组成了有效的真空密封结构，又考虑了热应力，能保证泡沫样本6始终紧贴铜盘4，同时最大程度减小了系统漏热，使制冷机冷量能充分利用。
[0030]待测泡沫样本6的直径为Φ 70mm,厚度为20mm的圆柱形,材料为聚氨酯泡沫。测试前先安装到与泡沫样本6材料相同的聚氨酯泡沫加工的中空圆柱形样本套8中，样本套8的中空部分分上、下两段，上段的直径与泡沫样本的直径相同，均为Φ70πιπι，以保证样本6和样本套8紧密接触，上段的深度与泡沫样本6的厚度相同；下段的直径比上段略小，形成一个宽约8_的台阶，泡沫样本6放置在该台阶上，试验时在泡沫样本与台阶之间夹有Φ4_的O型圈，以防止水蒸汽从缝隙通过到达低温铜盘4表面形成对流，从而极大增加漏热。
[0031]样本套8的外径约280mm，为减小样本套8上表面与波纹板5之间缝隙漏热，设计一内径为284mm,外径为384mm,高为50mm的内、夕卜双壁面结构的液氮槽13,内外双臂面的中间环形空间充有液氮。该液氮槽焊接在真空室底面11上。液氮槽13内壁面的上部凿有散乱分布的氮气排出口 12，以使里面蒸发的氮气溢出，目的是降低样本套8外表面与液氮槽13之间缝隙温度，从而减少通过样本套上表面与波纹板之间缝隙的气体对流和导热漏热。
[0032]样本套8和泡沫样本6放置于下面的高温高湿箱15的顶面上，高温高湿箱内的温度为29?31°C，相对湿度为98%?99%，为泡沫样本6的下表面提供高温高湿的环境。通过高温高湿箱15的上下运动将泡沫样本6紧密的贴在低温铜盘4的下表面，从而将脉管制冷机I的冷头温度通过铜板10、铜柱3及铜盘4传递给泡沫样本6的上表面。
[0033]上面结合附图对本发明的吸湿增重测量装置作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的只是范围内，还可以对其做出种种变化。例如，各个部件的尺寸不限于上述实施例中的具体尺寸，只要不影响本发明的实施效果，可适当增减部件的尺寸。
[0034]利用本发明装置对泡沫样本的吸湿增重进行测量，共测试了编号为IV-1-1、IV-1-2、IV-1-3、IV-4-1、IV-4-2、IV-4-3、L-4-3、L-4-4 八组不同密度的泡沫样本，每组样本包括两个相同的样本。
[0035]测试过程如下:首先将泡沫样本6置于本发明装置中的相应位置，启动该装置，即通过高温高湿箱15为泡沫样本6的下表面提供高温高湿环境，利用脉管制冷机I为泡沫样本6的上表面提供低温环境，历时5小时，将泡沫样本从本发明的装置中取下称重，然后放到一恒温恒湿箱内24小时，使泡沫样本中的水分挥发出来，恢复吸湿增重前的状态，接下来再将该泡沫样本置于本发明装置中的相应位置，历时9小时，将泡沫样本取下再次称重。经计算，得到图3所示的八组泡沫样本分别经过5小时和9小时后吸湿增重量，图3中同一组泡沫样本中的两个相同样本的数据点基本重合，体现了泡沫样本吸湿增重的规律性和重复性。
[0036]测试过程中，利用放置在铜盘4中的铑铁温度传感器可以测得泡沫样本上表面的温度，利用安装在冷头2底端的铑铁温度传感器可以测得冷头的温度，从而得到图2的曲线。可见，利用本发明装置，可将泡沫样本长时间稳定地冷却到要求的25K温度，温度波动小于±0.5K。同时保持泡沫样本另一面温度为30°C，相对湿度98%的高温高湿环境。
【权利要求】
1.一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，包括: 泡沫样本，所述泡沫样本为柱体，包括上表面、下表面和侧面； 为泡沫样本的下表面提供闻温闻湿环境的闻温闻湿箱； 为泡沫样本的上表面提供低温环境的脉管制冷机； 将所述泡沫样本的侧面绝热的样本套。
2.如权利要求1所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述的脉管制冷机为布置在真空室内的单级双向脉管制冷机，所述的单级双向脉管制冷机通过导热部件向泡沫样本的上表面提供低温环境。
3.如权利要求2所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述的脉管制冷机靠近真空室底面的部分为冷头，所述的导热部件为与冷头连接的铜柱和支撑所述铜柱的铜盘，铜盘的下表面抵紧所述泡沫样本的上表面。
4.如权利要求3所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述的脉管制冷机为两个结构相同的并列布置在真空室内的单级双向脉管制冷机，两个脉管制冷机的冷头之间通过铜板相连。
5.如权利要求4所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述真空室的底面上正对冷头处设有波纹板，所述铜盘焊接在波纹板中心，作为真空室底面的一部分。
6.如权利要求5所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述泡沫样本为圆柱体，所述样本套为与泡沫样本的侧面紧密贴合的中空圆柱。
7.如权利要求6所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述样本套的外径大于波纹板的直径；所述样本套的中空部分分上、下两段，上段的直径、深度分别与泡沫样本的直径、厚度相同；下段的直径比上段略小，形成台阶，所述泡沫样本放置在该台阶上，在泡沫样本与台阶之间夹有O型圈。
8.如权利要求7所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述样本套的外围包有圆柱形液氮槽，所述液氮槽为内、外双壁面结构，中间环形空间充有液氮。
9.如权利要求8所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述液氮槽的内壁面的上部设有氮气排出孔，外壁面的下部连有液氮进口管。
10.如权利要求9所述的低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于，所述高温高湿箱内的温度为29?31 °C，相对湿度为98 %?99 %。
【文档编号】G01N5/02GK103808593SQ201210447308
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】张小斌, 朱佳凯, 邱利民, 甘智华, 张学军, 朱文俐, 杨汝平, 马晓静 申请人:浙江大学