CN102288510B - 低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置 - Google Patents

Abstract

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。恒温高湿箱、样品套、液氮槽、液氮外罐、液氮内罐顺次连接，导流罩套装在样品套外部；在恒温高湿箱上端设有凹槽，凹槽内设有G-10垫圈，在恒温高湿箱内壁设有PTC加热电阻、风扇，在恒温高湿箱下部设有进水系统、排水管路，在恒温高湿箱底部设有超声波发生器和小型升降器；样品套中装有样品；液氮外罐顶部设有液氮进入管、安全阀和出口截止阀，液氮进入管上设有手动截止阀，液氮外罐和液氮内罐与液氮槽连接，液氮槽底部焊接有铜盘，液氮外罐下部设有抽真空口；出口截止阀通过管路与导流罩相连接。本发明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。

Description

低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置

技术领域

本发明涉及航空航天与制冷低温工程技术领域，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

固体聚氨酯泡沫具有质量轻，机械强度及绝热性能好等特点，已成为空间航天器内低温燃料储罐的标准绝热材料，一般通过现场喷涂在液氢（-253℃）储罐和液氧（-180℃）储罐的外部。火箭所需推力决定于火箭载荷，为准确计算、控制火箭推力及所需燃料，要求火箭有效载荷和体积小且精确。泡沫绝热材料虽密度较小，但在火箭上所占面积大。火箭发射前，泡沫材料长时间一面低温（储罐壁面）、一面暴露于高湿自然环境，将大量吸收空气中水蒸气，从而额外增加火箭发射时的有效载荷，对火箭推力设计的影响不可忽略。 

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。 

中国专利申请书200910248607.0公开了一种在加压状态下泡沫类绝热材料低温热导率的测试装置，该装置重点在于测量泡沫材料的热导率，与本发明内容完全不同。 

上述专利申请说明书均未涉及低温绝热用泡沫塑料吸湿增重的测试装置。 

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种深低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置。 

低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置包括恒温高湿箱、样品套、液氮外罐、液氮内罐、液氮槽、导流罩；恒温高湿箱、样品套、液氮槽、液氮外罐、液氮内罐顺次连接，导流罩套装在样品套外部；在恒温高湿箱上端设有凹槽，凹槽内设有G-10垫圈，在恒温高湿箱内壁设有PTC加热电阻、风扇，在恒温高湿箱下部设有进水系统、排水管路，在恒温高湿箱底部设有超声波发生器和小型升降器；样品套中装有待测泡沫塑料样品；液氮外罐顶部设有液氮进入管、安全阀和出口截止阀，液氮进入管上设有手动截止阀，液氮外罐和液氮内罐通过焊接与液氮槽连接在一起，液氮槽底部焊接有铜盘，液氮外罐下部设有抽真空口；出口截止阀通过管路与导流罩相连接。 

所述的样品套为变内径的低热导率材料如玻璃钢制成的圆柱体，样品套部分高度包围样品，内径与测试泡沫塑料相同，其余高度部分，内径要大于测试样品约3mm，垫圈内径小于样品套或者样品内径4mm。 

本发明的主要优点在于装置结构简单可靠，操作简单，采取的方法能迅速冷却到深低温并且由于良好的绝热保证可以做到深低温下漏热小，由于小型升降器的设计，能够实现实验过程中样品的方便拆卸和安装。 

附图说明

    图1为低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置结构示意图； 

图2(a)为本发明实施实例泡沫塑料14个传感器温度测试0～9h小时内随时间的变化；

图2(b) 为本发明实施实例泡沫塑料14个传感器温度测试9～18h小时内随时间的变化；

图2(c) 为本发明实施实例泡沫塑料14个传感器温度测试18～24h小时间随时间的变化；

图3为本发明实施实例中泡沫塑料吸湿增重随时间的变化；

图中，液氮进入管1、手动截止阀2、液氮杜瓦外罐3、液氮杜瓦内罐4、 液氮槽5、样品套6、G-10垫圈7、PTC加热电阻8、排水管路9、超声波发生器10、安全阀11、出口截止阀12、氮气管路13、抽真空口14、铜盘15、导流罩16、样品17、恒温高湿箱18、风扇19、进水系统20、小型升降器21。

具体实施方式

如图1所示，低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置包括恒温高湿箱18、样品套6、液氮外罐3、液氮内罐4、液氮槽5、导流罩16；恒温高湿箱18、样品套6、液氮槽5、液氮外罐3、液氮内罐4顺次连接，导流罩16套装在样品套6外部；在恒温高湿箱18上端设有凹槽，凹槽内设有G-10垫圈7，在恒温高湿箱18内壁设有PTC加热电阻8、风扇19，在恒温高湿箱18下部设有进水系统20、排水管路9，在恒温高湿箱18底部设有超声波发生器10和小型升降器21；样品套6中装有待测泡沫塑料样品17；液氮外罐3顶部设有液氮进入管1、安全阀11和出口截止阀12，液氮进入管1上设有手动截止阀2，液氮外罐3和液氮内罐4通过焊接与液氮槽5连接在一起，液氮槽5底部焊接有铜盘15，液氮外罐3下部设有抽真空口14；出口截止阀12通过管路13与导流罩16相连接。 

所述的样品套6为变内径的低热导率材料如玻璃钢制成的圆柱体，样品套6部分高度包围样品17，内径与测试泡沫塑料17相同，其余高度部分，内径要大于测试样品约3mm。垫圈7内径小于样品套6或者样品17内径约4mm。 

整个装置分液氮容器和室温高湿箱两部分，分别来达到低温和实温高湿环境。室温高湿箱宽×高×深为400×300×400mm，放置在小型升降器顶部，从而实现箱体可上下位移，位移距离不小于15cm，横向定位精度通过2个侧向导轨保证。箱内湿度通过超声波加湿器达到湿度>98%的要求，超声波加湿器布置在箱体外底部，并被约10mm高度的水面覆盖。为保证箱内温湿度均匀，在箱内侧壁水面上面布置小型风扇，为防止风扇电路在高湿度环境时短路，电机放置在箱体以外。78K温度通过液氮蒸发得到，液氮容器为双壁面真空绝热结构，内外壁之间抽真空，避免空气对流及导热漏热，通过抽真空口连接外部真空泵。内壁面上包裹多层绝热材料(MLI)，包裹厚度约10mm，以减少辐射漏热。液氮容器顶部布置进液管、出气管及测液位孔，其中进液管直通到液氮杜瓦内筒底面约5mm处。蒸发氮气通过出气管导流到样品套外围，用以将样品区域与环境空气隔离。测液位孔上接有三通，横向设置安全阀，垂直开口用以探测液氮液位。为减少漏热损失，高于液氮杜瓦顶盖的管路及阀门等都包裹绝热材料。整套装置安装在一支架上，支架底部安装有4个可活动的轮子，方便整套装置移动，整个装置总重量约200公斤。液氮杜瓦底部连接液氮槽，液氮槽总长45mm，其中20mm为液氮容器双层壁间的真空长度。液氮槽上端开口与液氮杜瓦连通，下端焊接铜盘，液氮能够直接接触铜盘，从而保证铜盘温度与液氮温度接近。铜盘外径与样品相同，为200mm，厚度10mm，用焊接在中空不锈钢环端面上。所测试泡沫塑料厚度20mm，外径与样品套内径相同，放置在样品套内，其中下端面与样品套齐平，并暴露于室温高湿箱内，上端面与约78K低温的铜盘端面紧密接触。 

所测试泡沫塑料首先放置于材料为g-10的样品套。样品套长40mm，其中20mm长度包围样品，内径为200mm。剩下的20mm 长度包围液氮槽，内径为220mm，避免样品套内表面与液氮槽直接接触，从而减少导热漏热，以减少通过样品套漏热对样品侧面温度的影响。样品轴向（垂直向）通过一内径为192，外径为220mm的g-10垫圈固定，垫圈内径小于样品直径，有助于防止水蒸汽从样品和样品套之间的缝隙进入，增加样品吸湿面积。垫圈放置在样品（或g-10圆环）和恒温高湿箱顶部之间，这样的好处是，随着恒温高湿箱往下移动，垫圈和g-10样品套轴向脱离，从而方便取出样品称重。在恒温高湿箱及低温容器间暴露在自然空气环境的g-10圆环外部，包裹绝热材料，以减少漏热和水蒸气凝结。 

Claims (2)

1.一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于包括恒温高湿箱(18)、样品套(6)、液氮外罐(3)、液氮内罐(4)、液氮槽(5)、导流罩(16)；恒温高湿箱(18)、样品套(6)、液氮槽(5)、液氮外罐(3)、液氮内罐(4)顺次连接，导流罩(16)套装在样品套(6)外部；在恒温高湿箱(18)上端设有凹槽，凹槽内设有G-10垫圈(7)，在恒温高湿箱(18)内壁设有PTC加热电阻(8)、风扇(19)，在恒温高湿箱(18)下部设有进水系统(20)、排水管路(9)，在恒温高湿箱(18)底部设有超声波发生器(10)和小型升降器(21)；样品套(6)中装有待测泡沫塑料样品(17)；液氮外罐(3)顶部设有液氮进入管(1)、安全阀(11)和出口截止阀(12)，液氮进入管(1)上设有手动截止阀(2)，液氮外罐(3)和液氮内罐(4)通过焊接与液氮槽(5)连接在一起，液氮槽(5)底部焊接有铜盘(15)，液氮外罐(3)下部设有抽真空口(14)；出口截止阀(12)通过管路(13)与导流罩(16)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种低温绝热用泡沫塑料吸湿增重测量装置，其特征在于所述的样品套(6)为变内径的玻璃钢制成的圆柱体，样品套(6)部分高度包围样品(17)，内径与测试泡沫塑料(17)相同，其余高度部分，内径要大于测试样品3mm，垫圈(7)内径小于样品套(6)或者样品(17)内径4mm。

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