CN110927209B - 防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置及方法，通过本装置及方法可直接测量出包含“边缘效应”的真空绝热板的整体导热系数，解决了采用现有技术测试真空绝热板的导热系数，测量值和实际值之间存在误差，测量值不能代表整块真空绝热板的有效导热系数，也无法反映整块真空绝热板的保温性能的技术问题，为真空绝热板整体保温性能的评价提供有力的证据。

Description

防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及热工测试技术领域，具体涉及一种防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置及方法。

背景技术

真空绝热板(Vacuum Insulation Panel)，简称VIP，是近几年开发的一种导热系数非常低的新型高效绝热材料，其导热系数约为普通EPS板、纤维类保温材料的十分之一，并且它不含任何有毒物质，对环境无污染，因此具有极好的发展和应用前景，被广泛应用于建筑保温，冰箱保冷，冷链运输等领域。

真空绝热板是由芯材2、外覆膜1和吸气剂3构成的真空器件，参见图1(a)。由于外覆膜的导热系数(如铝箔160W/(m·K))远远大于内部芯材的导热系数(如0.030W/(m·K))，因此它最显著的特征是具有“边缘效应”,参见图1(b)，即有一部分热流量将沿着外覆膜传递，导致其边缘的热流密度要大于中心区域的热流密度，这一各向异性的热流传递特征是区别于其他传统均质保温材料的显著特点，参见图2(a)、图2(b)。真空绝热板的有效导热系数是指包含了“边缘效应”的导热系数，它是衡量真空绝热板整体保温性能的重要参数。

现有保温材料导热系数的测试方法主要有防护热板法和热流计法，两种方法都是通过计量试样中心区域的热流量来计算材料的导热系数，如防护热板法的测试原理是：根据一维稳态情况下，通过试件的热量Q和被测导热***λ、平板两面的温差ΔT成正比，和试件的厚度成反比的关系设计的，原理公式见式(1)：

λ＝Qd/A(T₁-T₂) (1)

Q-加热单元计量部分的平均热流量，其值等于平均发热功率，单位为W；

d-试件平均厚度，单位为m；

T₁-试件热面温度平均值，单位为K；

T₂-试件冷面温度平均值，单位为K；

A-计量面积(双试件装置需乘以2)，单位为m²。

由于真空绝热板具有“边缘效应”，如果采用现有测试设备只能测量出其中心导热系数，并不能代表整块真空绝热板的有效导热系数，也无法反映整块真空绝热板的保温性能。

现有技术中，对于真空绝热板整体有效导热系数的测试方法十分有限，主要有两种方法，一种是理论计算，首先测量出中心导热系数，再按照公式(2)计算整体有效导热系数：

式中：

λ_eff-真空绝热板的有效导热系数；

λ_cop-真空绝热板的中心导热系数，采用传统的导热仪测得；

l-真空绝热板的周长；

d-真空绝热板的厚度；

s-真空绝热板的面积；

-真空绝热板的线传热系数。

与真空绝热板的尺寸、外覆膜的厚度与膜的导热系数有关，一般通过理论计算或试验确定，理论计算或实验所得真空板线传热系数

存在近似值，因此采用上述方法导致计算值与实际值存在误差。

另一种间接测量的方法是热箱法，该方法从能耗的角度先测出真空绝热板的传热系数，测出真空绝热板的“边缘效应”的影响，再通过间接的计算推导出真空绝热板的有效导热系数。热箱法的缺点是测试过程中难以稳定控制腔体内的温度，尤其对于真空绝热板这种超低导热系数的材料，试件的表面温度与腔体环境温度受冷热箱的空气对流等因素波动较大，难以精确测量，易导致较大的测量误差。

发明内容

为解决采用现有技术测试真空绝热板的导热系数，测量值和实际值之间存在误差，测量值不能代表整块真空绝热板的有效导热系数，也无法反映整块真空绝热板的保温性能的技术问题，本发明提供一种真空绝热板导热系数测试装置及方法，可直接测量出包含“边缘效应”的真空绝热板的整体导热系数，为真空绝热板整体保温性能的评价提供有力的证据。

本发明采用的第一技术方案是：一种防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置，包括数据采集及处理单元、被测试件、加热计量单元、冷却单元及防护外套，所述被测试件由真空绝热板测试板和包围在真空绝热板测试板的四个侧壁的保温防护层组成，加热计量单元的计量面板的面积等于真空绝热测试板的面积，加热计量单元的防护面板的面积等于保温防护层的面积；防护外套包围在被测试件、加热计量单元及冷却单元的***。

采用上述技术方案，通过计量面板可直接测量出包含“边缘效应”的整体真空绝热板的有效导热系数，减小了采用间接测量方法产生的中间误差，测量结果更准确。

本发明采用的第二技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第二技术方案是：所述真空绝热测试板为待检测有效导热系数的真空绝热板。

采用上述技术方案，当待检测有效导热系数的真空绝热板整体尺寸不大，适于整体检测时，使用本装置检测步骤简单，准确度高。

本发明采用的第三技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第三技术方案是：所述真空绝热测试板由与待检测有效导热系数的真空绝热板相同结构的芯材、外覆膜和吸气剂制成，其厚度、中心导热系数、线传热系数均与待检测真空绝热板相同。

采用上述技术方案，当待检测有效导热系数的真空绝热板整体尺寸较大，不适于整体检测时，将待检测有效导热系数的真空绝热板做成标准试样，通过检测标准试样的有效导热系数λ_eff，再通过换算成整个真空绝热板的有效导热系数λ’_eff，通过该装置可以准确测量出不同尺寸的真空绝热板的有效导热系数。

本发明采用的第四技术方案是在第三技术方案上的改进，本发明采用的第四技术方案是：真空绝热测试板的厚度为5mm～40mm，长宽尺寸为300mm×300mm。

采用上述技术方案，将标准试样设定为300mm×300mm的标准尺寸，与现有真空绝热板常用尺寸一致，选用该尺寸作为标准尺寸，可以更加方便的满足企业和用户的需求。

本发明采用的第五技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第五技术方案是：真空绝热测试板与保温防护层之间设有防辐射贴片。

采用上述技术方案，可有效降低试样边缘的热辐射对测试结果影响，提高测试准确度。

本发明采用的第六技术方案是在第五技术方案上的改进，本发明采用的第六技术方案是：防辐射贴片贴合在保温防护层的内壁且与真空绝热板设有1～3mm的间隔。

本发明采用的第七技术方案是在第一技术方案上的改进，本发明采用的第七技术方案是：所述保温防护层由玻璃纤维棉或聚氨酯泡沫制成，整体呈“回”字形，其中心缺口尺寸与真空绝热测试板的外形尺寸适配。

采用上述技术方案，将保温防护层做成标准模块，使用时方便，可提高检测效率。

本发明采用的第八技术方案是：

一种用于第二技术方案所述测试装置的测试方法，包括以下步骤：

(8.1)制备保温防护层：采用玻璃纤维棉或聚氨酯泡沫制作与防护面板等面积的“回”字形保温防护层，保温防护层的厚度与真空绝热测试板相等，在保温防护层中心缺口的内侧面粘贴防辐射贴片，防辐射贴片与真空绝热测试板之间设置间隔；

(8.2)将真空绝热测试板放置在计量面板上使其与计量面板全面积接触；

(8.3)压紧真空绝热测试板，测得真空绝热测试板的实际厚度为d；

(8.4)取出真空绝热测试板，测量真空绝热测试板压紧后的长度a₁、宽度b₁；

(8.5)将保温防护层放置在防护面板上其与防护面板全面积接触，使防辐射贴片与真空绝热测试板外侧面保留适当间距；

(8.6)开始测试，根据式(1)计算出真空绝热测试板的有效导热系数λ_eff；

λ_eff＝Qd/A(T₁-T₂) (1)

式中：

Q-加热单元计量部分的平均热流量，其值等于平均发热功率，单位为W；

d-试件平均厚度，单位为m；

T₁-试件热面温度平均值，单位为K；

T₂-试件冷面温度平均值，单位为K；

A-计量面积(双试件装置需乘以2)，单位为m²。

采用上述技术方案，可准确、快捷地检测出真空绝热板的整体有效导热系数。

本发明采用的第九技术方案是：

一种用于第三技术方案所述测试装置的测试方法，包括以下步骤：

(9.1)制备真空绝热测试板：采用与待检测真空绝热板相同结构的芯材、外覆膜和吸气剂制备标准尺寸的真空绝热测试板，真空绝热测试板的厚度、中心导热系数及线传热系数均与待检测真空绝热板相同；

(9.2)制备保温防护层：采用玻璃纤维棉或聚氨酯泡沫制作与防护面板等面积的“回”字形保温防护层，保温防护层的厚度与真空绝热测试板相等，在保温防护层中心缺口的内侧面粘贴防辐射贴片，防辐射贴片与真空绝热测试板之间设置间隔；

(9.3)将真空绝热测试板放置在计量面板上使其与计量面板全面积接触；

(9.4)压紧真空绝热测试板，测得真空绝热测试板的实际厚度为d；

(9.5)取出真空绝热测试板，测量真空绝热测试板压紧后的长度a₁、宽度b₁；

(9.6)将保温防护层放置在防护面板上，使防辐射贴片与真空绝热测试板外侧面保留设定距离；

(9.7)开始测试，测得真空绝热测试板的有效导热系数为λ_eff；

(9.8)采用现有技术测试的待检测真空绝热板的中心导热系数为λ_cop；

(9.9)待检测真空绝热板的效导热系数λ’_eff按式(3)换算：

式中：

a₁—真空绝热测试板压紧后的长度，单位为米(m)；

b₁—真空绝热测试板压紧后的宽度，单位为米(m)；

λ_eff—真空绝热测试板有效导热系数，单位为(W/(m·K))；

λ_cop—采用现有技术测试的待检测真空绝热板的中心导热系数，单位为(W/(m·K))；

λ’_eff—待检测真空绝热板的有效导热系数，单位为(W/(m·K))；

a₂—待检测真空绝热板的长度，单位为米(m)；

b₂—待检测真空绝热板的宽度，单位为米(m)。

采用上述技术方案，可通过检测标准试样的有效导热系数λ_eff，再通过公式(3)换算成整个真空绝热板的有效导热系数λ’_eff，有效避免了采用现有方法在理论计算过程中对真空板线传热系数

一项的估算存在近似值，导致计算值与实际值存在误差的问题。

本方法采用的公式(3)由下式推导得到：

假设标准试样的长度为a₁，宽度为b₁，厚度为d，中心导热系数为λ_cop，线传热系数为ψ(d),边缘引起的导热系数的增量为Δλ，那么它的有效导热系数λ_eff为：

待测有效导热系数的真空绝热板的长度为a₂，宽度为b₂，厚度为d，中心导热系数λ_cop，线传热系数ψ(d)与标准试样相同，那么待测真空绝热板的有效导热系数即为：

有：

因此，本方法只需求出已知标准试样的的有效导热系数和中心导热系数，就可以算出待测真空绝热板的有效导热系数，无需计算真空绝热板的线传热系数为ψ(d)。

本发明采用的第十技术方案是在第八或第九技术方案上的改进，本发明采用的第十技术方案是：将保温防护层制作成与真空绝热测试板厚度一致的“回”字形固件后，用塑料膜封装密封备用。

采用上述技术方案，将保温防护层做成标准模块，使用时方便，可提高检测效率。

本发明的有益效果：本发明和传统导热系数测试仪的测试原理均依据稳态傅里叶定律，本发明通过改进被测试件，将待测有效导热系数的真空绝热板的整板或将其制成标准尺寸的测试板作为被测试件，使计量面板的面积与被测试件的面积一致，通过全面积接触计量待测有效导热系数的真空绝热板的有效导热系数，同时通过对被测试件的边缘追加防护，减少非计量区域的对流和辐射，防止计量面板和被测试件边缘的漏热，进一步提高测试的准确度。本发明的检测方法，有效避免了采用现有方法在理论计算过程中对真空板线传热系数

一项的估算存在近似值，导致计算值存在偏差的问题，使得本方法的测试结果更加接近真实值。

附图说明

图1(a)是真空绝热板的结构示意图；

图1(b)是真空绝热板的热流示意图；

图2(a)是传统保温材料沿其长度方向的热流密度示意图；

图2(b)是真空绝热板沿其长度方向的热流密度示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

参阅图3，本实施例提供一种双试件防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置，包括数据采集及处理单元、被测试件、加热计量单元、冷却单元及防护外套13。

防护外套13包围在被测试件、加热计量单元及冷却单元的***，用于减少加热计量单元的热量流失，提高测试精度。防护外套13可由导热系数较小的现有保温材料制成。

数据采集及处理单元包括控制采集***和多个量程可调的电压表和电流表，优选电压表量程为50μV～10V、电流表量程为50μA～2A，测试时电压表和电流表采用的具体量程可根据实测功率进行合理选择。控制采集***为现有技术，现有测量保温材料导热***的控制***均适用于本发明。

被测试件共有两个，每个被测试件均由真空绝热板测试板19和包围在真空绝热板测试板的四个侧壁的保温防护层16组成，保温防护层16的内侧面贴有厚度为1～2mm的铝箔防辐射贴片15，铝箔防辐射贴片15与真空绝热板设有1～3mm的间隔。真空绝热测试板19由与待检测有效导热系数的真空绝热板相同结构的芯材、外覆膜和吸气剂制成，其厚度、中心导热系数、线传热系数均与待检测真空绝热板相同。真空绝热板测试板19的尺寸为300mm×300mm、厚度5mm～40mm。保温防护层16由玻璃纤维棉制成标准的“回”字形模块，其中心缺口尺寸与真空绝热测试板19的外形尺寸适配。保温防护层的厚度与被测试件的厚度的比值控制在1～1.3，可根据被测试件的厚度预先制作不同规格的保温防护棉，如制作厚度为5mm，10mm，15mm，20mm，25mm，30mm，35mm，40mm的标准模块，用塑料膜封装密封备用。

加热计量单元包括计量面板11、防护面板10、计量加热器12、防护加热器9、热单元表面测温热电偶6及平衡温差热电偶7。计量加热器12夹设在两块计量面板11之间，两块计量面板11分别与两块真空绝热板测试板19全面积接触，防护面板10与保温防护层16全面积接触，热单元表面测温热电偶6用于测量计量面板11的表面温度，平衡温差热电偶7用于测量计量面板11与防护面板10的表面温差。

冷却单元包括冷板14和冷单元表面测温热电偶5，冷板14与被测试件全面积接触，冷单元表面测温热电偶5用于测量冷板14的表面温度，冷板14为现有技术，现有测量保温材料导热***的冷板14结构均适用于本发明，其结构及原理不再赘述。

冷单元表面测温热电偶5、热单元表面测温热电偶6及平衡温差热电偶7分别通过导线与控制采集***连接，计量加热器12及防护加热器9分别通过导线与电压表、电流表连接。

实施例1以双试件为代表详细介绍了本发明的测试装置，本发明的测试装置也适用于单试件热板防护法的测试。

实施例2

本实施例提供一种采用实施例1的装置测试真空绝热板有效导热***的方法，包括以下步骤：

(1)制备真空绝热测试板19：采用与待检测真空绝热板相同结构的芯材、外覆膜和吸气剂制备300×300mm、厚度分别为10mm、11mm、12mm、17mm的真空绝热测试板，真空绝热测试板的厚度、中心导热系数及线传热系数均与待检测真空绝热板相同；

(2)制备保温防护层16：采用玻璃纤维棉制作与防护面板10等面积的“回”字形保温防护层，保温防护层的厚度分别与真空绝热测试板19一一对应，在保温防护层16中心缺口的内侧面粘贴防辐射贴片15，使防辐射贴片15与真空绝热测试板19之间留有1～3mm的间隔；

(3)将真空绝热测试板19放置在计量面板11上使其与计量面板全面积接触；

(4)压紧真空绝热测试板19，测得真空绝热测试板的实际厚度为d；

(5)取出真空绝热测试板19，测量真空绝热测试板压紧后的长度a₁、宽度b₁；

(6)将保温防护层16放置在防护面板10上其与防护面板全面积接触，防辐射贴片15与真空绝热测试板外侧面保留1～3mm的间距；

(7)开始测试，选取5V的电压表和10A的电流表，待热流稳定后采集电表信息，根据式(1)计算出真空绝热测试板19的有效导热系数λ_eff；

λ_eff＝Qd/A(T₁-T₂) (1)

式中：

Q-加热单元计量部分的平均热流量，其值等于平均发热功率，单位为W；

d-试件平均厚度，单位为m；

T₁-试件热面温度平均值，单位为K；

T₂-试件冷面温度平均值，单位为K；

A-计量面积(双试件装置需乘以2)，单位为m²。

进一步地，假设待检测有效导热系数的真空绝热板的长度为a₂，a₂>a₁；宽度为b₂，b₂>b₁；厚度、中心导热系数、线传热系数与真空绝热测试板19相同，那么待检测有效导热系数的真空绝热板的有效导热系数根据以下方法求得：

(A)采用现有技术测试的待检测真空绝热板的中心导热系数为λ_cop；

(B)待检测真空绝热板的效导热系数λ’_eff按式(3)换算：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置的测试方法，所述装置包括数据采集及处理单元、被测试件、加热计量单元、冷却单元及防护外套，其特征在于，所述被测试件由真空绝热测试板和包围在真空绝热测试板的四个侧壁的保温防护层组成，加热计量单元的计量面板的面积等于真空绝热测试板的面积，加热计量单元的防护面板的面积等于保温防护层的面积；防护外套包围在被测试件、加热计量单元及冷却单元的***；所述真空绝热测试板为待检测有效导热系数的真空绝热板；

所述测试方法包括以下步骤：

（1.1）制备保温防护层：采用玻璃纤维棉或聚氨酯泡沫制作与防护面板等面积的“回”字形保温防护层，保温防护层的厚度与真空绝热测试板相等，在保温防护层中心缺口的内侧面粘贴防辐射贴片，防辐射贴片与真空绝热测试板之间设置间隔；

（1.2）将真空绝热测试板放置在计量面板上使其与计量面板全面积接触；

（1.3）压紧真空绝热测试板，测得真空绝热测试板的实际厚度为d；

（1.4）取出真空绝热测试板，测量真空绝热测试板压紧后的长度a₁、宽度b₁；

（1.5）将保温防护层放置在防护面板上其与防护面板全面积接触，使防辐射贴片与真空绝热测试板外侧面保留适当间距；

（1.6）开始测试，根据式（1）计算出真空绝热测试板的有效导热系数λ_eff；

λ_eff=Qd/A(T₁-T₂) (1)

式中：

Q-加热单元计量部分的平均热流量，其值等于平均发热功率，单位为W；

d-试件平均厚度，单位为m；

T1-试件热面温度平均值，单位为K；

T2-试件冷面温度平均值，单位为K；

A-计量面积（双试件装置需乘以2），单位为m²。

2.一种用于防护热板法测量真空绝热板有效导热系数的装置的测试方法，所述装置包括数据采集及处理单元、被测试件、加热计量单元、冷却单元及防护外套，其特征在于，所述被测试件由真空绝热测试板和包围在真空绝热测试板的四个侧壁的保温防护层组成，加热计量单元的计量面板的面积等于真空绝热测试板的面积，加热计量单元的防护面板的面积等于保温防护层的面积；防护外套包围在被测试件、加热计量单元及冷却单元的***；所述真空绝热测试板由与待检测有效导热系数的真空绝热板相同结构的芯材、外覆膜和吸气剂制成，其厚度、中心导热系数、线传热系数均与待检测真空绝热板相同；

所述测试方法包括以下步骤：

（2.1）制备真空绝热测试板：采用与待检测真空绝热板相同结构的芯材、外覆膜和吸气剂制备标准尺寸的真空绝热测试板，真空绝热测试板的厚度、中心导热系数及线传热系数均与待检测真空绝热板相同；

（2.2）制备保温防护层：采用玻璃纤维棉或聚氨酯泡沫制作与防护面板等面积的“回”字形保温防护层，保温防护层的厚度与真空绝热测试板相等，在保温防护层中心缺口的内侧面粘贴防辐射贴片，防辐射贴片与真空绝热测试板之间设置间隔；

（2.3）将真空绝热测试板放置在计量面板上使其与计量面板全面积接触；

（2.4）压紧真空绝热测试板，测得真空绝热测试板的实际厚度为d；

（2.5）取出真空绝热测试板，测量真空绝热测试板压紧后的长度a₁、宽度b₁；

（2.6）将保温防护层放置在防护面板上，使防辐射贴片与真空绝热测试板外侧面保留设定距离；

（2.7）开始测试，根据式（1）计算出真空绝热测试板的有效导热系数λ_eff；

λ_eff=Qd/A(T₁-T₂) (1)

式中：

Q-加热单元计量部分的平均热流量，其值等于平均发热功率，单位为W；

d-试件平均厚度，单位为m；

T1-试件热面温度平均值，单位为K；

T2-试件冷面温度平均值，单位为K；

A-计量面积（双试件装置需乘以2），单位为m²；

（2.8）采用现有技术测试的待检测真空绝热板的中心导热系数为λ_cop；

（2.9）待检测真空绝热板的有效导热系数λ^’ _eff按式（3）换算：

（3）

式中：

a₁—真空绝热测试板压紧后的长度，单位为米(m)；

b₁—真空绝热测试板压紧后的宽度，单位为米(m)；

λ_eff—真空绝热测试板的有效导热系数，单位为（W/（m·K））；

λ_cop—采用现有技术测试的待检测真空绝热板的中心导热系数，单位为（W/（m·K））；

λ^’ _eff—待检测真空绝热板的有效导热系数，单位为（W/（m·K））；

a₂—待检测真空绝热板的长度，单位为米(m)；

b₂—待检测真空绝热板的宽度，单位为米(m)。

3.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，真空绝热测试板的厚度为5mm～40mm，长宽尺寸为300mm×300mm。

4.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，真空绝热测试板与保温防护层之间设有防辐射贴片。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，防辐射贴片贴合在保温防护层的内壁且与真空绝热板设有1～3mm的间隔。

6.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，所述保温防护层由玻璃纤维棉或聚氨酯泡沫制成，整体呈“回”字形，其中心缺口尺寸与真空绝热测试板的外形尺寸适配。

7.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于，将保温防护层制作成与真空绝热测试板厚度一致的“回”字形固件后，用塑料膜封装密封备用。

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