干式无热源宽温区材料绝热与放气性能综合测量装置

本发明涉及的是材料绝热与放气性能测试领域的技术，具体是一种干式无热源宽温区材料绝热与放气性能综合测量装置。

背景技术：

1、高真空多层绝热是一种性能优异的绝热方式，由于大幅抑制了空气导热和对流以及辐射传热，其等效到热系数可以达到10-4～10-5w/m·k量级，比泡沫优2-3个数量级，被称为超级绝热，在低温储运、航天推进剂贮存、超导电缆绝热管运维等工业场景中都有着广泛的应用。然而，实际工程应用中的多层绝热系统自封结真空度之日起，由于各种接口的外泄漏以及内部金属壁面、结构支撑材料、防热辐射的mli材料等自身的长期放气特性，其真空度随着时间逐渐恶化，进而导致绝热性能的下降。举例而言，当压力从10-3pa经上升到10-1pa量级，此时的漏热量也会上升2-3个数量级。在各种导致真空度下降的因素中，又以多层绝热材料自身的放气最为显著，因此，掌握夹层真空度变化规律，提升多层绝热性能是亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术无法针对低温温区下多层绝热材料的热导率进行测试的不足以及无法彻底消除外界辐射带来的测试误差的问题，提出一种干式无热源宽温区材料绝热与放气性能综合测量装置，能够对多层材料的绝热性能与放气性能进行测试，实现从液氢至液甲烷的宽温区内冷边界温度灵活调节，无需外部加热功率与低温流体的输入且能够对测试室进行有效的绝热保护，在保证测量精度的同时，大大简化了系统的复杂程度。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种干式无热源宽温区材料绝热与放气性能综合测量装置，包括：用于提供真空与绝热性能测试的环境条件的测试腔体、用于为测试腔体提供冷量的冷却系统、真空系统、绝热保护系统、热阻调节系统、热流计和多层材料支撑腔，其中：测试腔体与真空系统相连，用于提供测试所需的环境条件；冷却系统与热阻调节系统相连，用于控制进入热流计与绝热保护系统内部的冷量；真空系统与测试腔体相连以对其内部抽真空；绝热保护系统设置于测试腔体内并通过热阻调节系统与冷却系统相连，用于消除测试腔体与多层材料支撑腔之间的辐射传热；热阻调节系统冷端与冷却系统相连，热端与热流计以及绝热保护系统相连，用于控制热端连接件的温度；热流计两端分别与冷却系统以及多层材料支撑腔相连，用于测量测试腔体通过辐射作用进入多层材料支撑腔的热量；多层材料支撑腔与热流计相连，用于固定多层绝热材料。

4、所述的测试腔体由上下两段组成，两段之间通过cf法兰组件连接，测试腔体上半段设有若干cf法兰接口，用于与外界实现物质的传递与信息的传输。

5、所述的cf法兰组件由cf刀口法兰与高纯度无氧铜垫圈组成，cf刀口法兰上设有若干螺栓安装孔位，通过螺栓螺母之间的压紧力将cf刀口法兰与高纯度无氧铜垫圈压紧以实现密封。

6、所述的真空系统包括：机械泵、分子泵、离子泵、质谱室、测试腔抽空阀、低真空阀、第一高真空阀、第二高真空阀，其中：测试腔抽空阀一端与cf法兰接口相连，另一端与质谱室相连，质谱室与机械泵相连，机械泵与分子泵之间通过低真空阀连接，质谱室与离子泵之间依次设有第一高真空阀和第二高真空阀，分子泵的输出端位于第一高真空阀和第二高真空阀之间。

7、所述的热阻调节系统包括：第一热开关、第二热开关、第一热开关控压阀、第二热开关控压阀、调压阀与高压氦气瓶，其中：第一热开关、第二热开关通过气体管路分别与第一热开关控压阀和第二热开关控压阀相连，第一热开关控压阀与第二热开关控压阀与调压阀相连，调压阀另一端与高压氦气瓶相连。

8、所述的冷却系统包括：制冷机机头、制冷机冷头与制冷机冷头扩展法兰，其中：制冷机冷头与第一热开关相连，制冷机冷头扩展法兰与通过高导热连杆与第二热开关相连。

9、本发明涉及一种根据上述综合测量装置的多层绝热材料的表观热导率检测方法，通过组装测量装置后抽真空并进行本底漏放气速率测试并得到本底漏放气速率；再装载测试样品后，通过启动冷却系统降温，再调节热开关至绝热保护机构与多层材料支撑腔的温度调节至相等；最后进行多层材料放气性能测试和多层材料绝热性能测试。

10、所述的抽真空是指：打开测试腔抽空阀，热开关抽空阀、第一热开关控压阀与第二热开关控压阀，对真空腔体与热开关同时抽真空后，打开机械泵直至真空度下降至5pa时，再开启低真空阀与分子泵进一步抽真空，直至真空度处于1pa以下时，打开第二高真空阀并开启离子泵并关闭热开关抽空阀、第一热开关控压阀与第二热开关控压阀，停止对热开关抽真空。

11、所述的调节热开关是指：调节布置在绝热保护屏与多层材料支撑腔表面的温度计的温度，直至该两支温度计的温度调节至相等，具体为：以多层材料支撑腔的温度为基准，当绝热保护屏的温度高于多层材料支撑腔的温度，则打开第二热开关控压阀，调节调压阀的压力，向热开关内通入氦气，此时第二热开关的热导率增加，进而降低绝热保护机屏的温度，当绝热保护屏的温度低于多层材料支撑腔的温度，则打开第一热开关控压阀，并开启热开关抽空阀，对热开关抽真空，此时第一热开关的热导率减小，进而增加绝热保护屏的温度。

12、所述的热开关的气体压力是连续变化的，经过几次调节即可将绝热保护机构与多层材料支撑腔的温度调节至相等，当向对应的热开关内通入氦气时即降低多层材料支撑腔的温度，当对对应的热开关进行抽空操作时即提高多层材料支撑腔的温度。

13、所述的多层材料放气性能测试是指：周期性地记录低真空规与高真空规采集到的真空度，计算得到多层绝热材料样品+本底的放气速率q2＝(p3-p4)v/t，q2与q1相减得到多层绝热材料在当前温度下的放气速。

14、所述的多层材料绝热性能测试是指：记录热流计上的温度计采集到的数据，通过对温度计的温度与位置关系进行拟合，得到热流计垂直方向的温度梯度dt/dx，导热连杆b的面积s已知，热导率k(t)是温度的函数，也为已知量，通过热流计的热流为q＝-k(t)s·dt/dx，得到热流值后，计算得到多层绝热材料的表观热导率λ＝q·ln(do/di)/2πle(thot-tcold)，其中：di是多层材料支撑腔的外径、le是多层材料支撑腔的长度，(thot-tcold)是外筒体内壁与多层材料支撑腔外壁之间的温度差。

15、技术效果

16、本发明无需使用低温流体：采用单台低温制冷机，避免了基于蒸发低温液体的湿式量热法不可回避的低温流体消耗问题，插电即可运行；无需输入热源进行热补偿即可实现宽温区调温：通过在热开关内部充气或抽真空以实现对制冷机冷头与测试腔体之间的热阻调节，进一步控制测试腔体温度。由于热开关的气体压力可以从负压到正压连续调节，因此热阻也可以连续调节，从而实现温度的连续调节；侧向漏热小：采用cf法兰与无氧铜垫圈的密封方式能够杜绝外界气体向测试室内部的扩散，实现超高真空气密环境；避免了热辐射引起的误差，测量精度高：通过热开关与制冷机冷头扩展法兰将制冷机冷头的冷量分为两部分，一部分用于测量多层材料的漏热，另一部分用于为绝热保护屏提供冷量，通过调节第一热开关与第二热开关使绝热保护机构与测试腔体等温，消除了辐射带来的误差；系统结构简单：仅采用一台制冷机，与其他采用两至三台制冷机的方式相比，在不牺牲测量准确性的前提下大大简化了系统结构；系统功能集成度高：可以对材料的绝热性能与放气性能进行测试，相比于其他单一性能测试装置的设计，扩展了该装置的使用场景；采用一套真空泵机组同时实现双重功能：通过巧妙的管路布置，真空泵机组既可以为测试室提供真空环境，又可以调节热开关的热阻，节省了真空泵资源。