一種深冷絕熱紙放氣率測試系統的研究

李 蔚? 夏 莉 劉金良

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一種深冷絕熱紙放氣率測試系統的研究

李 蔚? 夏 莉 劉金良

（廣東省特種設備檢測研究院 廣州 510655）

以低溫容器用深冷絕熱材料為對象進行了材料放氣率測試系統的設計，該系統是以靜態升壓法為基礎的。系統測試室的真空度可達10-7Pa，這樣延伸了系統的測量下限。該系統測試溫度最高為250℃，最低可達-196℃。利用該系統的測試結果可為深冷絕熱紙的實際應用提供最可靠的參考數據。

低溫容器；深冷絕熱材料；放氣率；測試系統

0 引言

由于高真空多層絕熱材料的絕熱性能突出，且抽真空工藝發展迅猛，目前低溫液體運輸車、低溫容器、低溫儲罐等多采用高真空多層絕熱[1]。對于這類采用多層絕熱材料的低溫容器，良好的夾層真空度是保證低溫容器優良絕熱性能的前提[2]。但在使用過程中由于不斷地有材料放出氣體而令低溫容器夾層真空度變差，進而影響了低溫容器的絕熱性能。低溫容器中破壞真空的漏放氣來源主要是容器本體和絕熱材料。在低溫容器尤其是高真空低溫容器中應用最為廣泛的絕熱材料就是由玻璃纖維紙和鋁箔復合而成的多層絕熱材料。通常的氣瓶及低溫液體罐車上多層絕熱材料的用量都在幾十甚至幾百個平方，大型的低溫容器中其用量也就更大，甚至用量達幾千個平方，因此多層絕熱材料的放氣量對低溫容器夾層真空度的影響很大，這一問題也隨著多層絕熱材料的廣泛使用而引起業界的極大關注。

材料放氣率被用來表征材料在真空狀態下的放氣情況，其定義為：在規定真空度、規定溫度下，單位時間內單位質量的材料所放出的氣體量，Pa·m3/（s·g）。在材料放氣性能的實驗研究過程中，逐漸形成了四種測試材料放氣率的方法：靜態升壓法、收集法、稱重法和氣體流量法[3-5]。在國內，2011年蘭州空間技術物理研究所研建了一臺真空材料放氣率測試裝置[6]，可利用靜態定容升壓法、小孔流導法、雙通道氣路轉換法進行真空材料放氣率的測試，該系統可根據不同材料的放氣率范圍選擇不同的測試方法，裝置測量不確定度小，測量精度高[7]。目前，針對金屬材料的放氣率已有較為豐富的實驗數據，但專門針對低溫容器用深冷絕熱紙的放氣率測試數據較少；國內現有材料放氣率測試裝置中，專門針對深冷絕熱紙放氣率量級和特定測試要求設計的系統也還比較欠缺。本文設計的材料放氣率測試系統考慮了低溫容器用深冷絕熱紙放氣率的數量級大小，測試條件也盡可能的涵蓋材料在實際低溫容器中應用時的環境條件范圍，利用該系統的測試結果以期為這類材料的實際應用提供最可靠的參考數據。

1 測試原理

考慮到測試材料的放氣率量級及材料單位重量的放氣面積比較大等因素，測試采用靜態升壓法比較適合。利用靜態升壓法原理，在一定的溫度和試樣質量條件下，將一定容積的測試室抽真空，采用直接測量法，測定在一段時間內，由于試樣放氣而引起的測試室的真空度變化，從而計算出試樣在高真空條件下的放氣速率。

測試室內樣品的放氣率一般與測試室內的壓力上升率成正比。試樣放氣量由下列公式計算。

（1）測試室本底漏放氣速率

式中：Q1為60分鐘時間間隔時測試室本底漏放氣速率，Pa·m3/s；為測試室容積，m3；1為關閉閥門時，真空計讀數，Pa；2為60分鐘時間間隔后，真空計讀數，Pa；Δ為測試時間間隔，s。

（2）測試室本底（含試樣）的漏放氣速率

式中：Q2為60分鐘時間間隔時測試室（含試樣）的漏放氣速率，Pa·m3/s；3為關閉閥門時，真空計讀數，Pa；4為60分鐘時間間隔后，真空計讀數，Pa；Δ為測試時間間隔，s。

（3）試樣放氣速率

式中：為試樣的放氣速率，Pa·m3/（s·g）；為試樣質量，g；Q1為60分鐘間隔時測試室本底漏放氣速率，Pa·m3/s；Q2為60分鐘時間間隔時測試室（含試樣）的漏放氣速率，Pa·m3/s。

2 測試系統

利用靜態升壓法設計的深冷絕熱紙放氣率測試系統如圖1所示，該系統主要包括4個部分：測試室，溫控系統，抽氣系統，測試系統（真空度測試、質譜分析）。

1.氮氣瓶，2.液氮杜瓦，3.放氣閥，4.加熱器，5.測試室，6.高真空電容規，7.低真空電容規，8.抽空閥，9.微調閥，10.抽空室，11.四極質譜分析儀，12.檢漏閥，13.插板閥，14.分子泵，15.前級泵閥，16.全量程規，17.預抽閥，18.旋片泵放氣閥，19.旋片真空泵，20.插板閥，21.離子泵

測試前，首先啟動真空機組對測試室預抽，測試室壓力小于檢漏儀允許檢漏口最高壓力后，開啟氦質譜儀對系統進行檢漏，當漏率滿足要求后，再繼續對測試室進行抽真空處理，當其真空度優于1×10-3Pa時記錄真空計讀數1，60min后記錄真空計讀數2，二者之差用于計算測試室本底漏放氣速率。接下來將稱重后的樣品放入測試室并密封，重復上述撿漏過程并記錄檢漏儀的漏率指示值，要求系統漏率小于1×10-9Pa·m3/s，然后繼續對裝有樣品的測試室抽真空抽到測試真空度后關閉測試是所有閥門，記錄真空計讀數3，60min后記錄真空計讀數4，兩個壓力之差用于計算測試室本底（含試樣）漏放氣速率；最后利用上述測試室的漏放氣速率及裝載樣品后的測試室漏放氣速率來計算樣品的放氣率。

2.1 測試室

在靜態升壓法的測試過程中，測試室壓力升高是由測試室本身的漏放氣和樣品放氣共同作用引起的。測試時，要求測試室本身的漏放氣要小，而樣品的放氣量要大，以便提高測試準確性。因此，一方面，在測試時盡可能放置多一點樣品，進而產生明顯的由樣品放氣引起的升壓；另一方面，系統測試室采用了表面經過處理的不銹鋼，這樣系統本身的漏放氣量較小，使得由于材料放氣而引起的升壓更便于識別。測試室容積是按照裝載樣品質量為20g±2g的體積進行設計的，容積大約為1L，其結構如圖2所示。

1.離子泵接口，2.規管接口，3.杜瓦蓋，4.測試樣品，5.低溫反射屏，6.恒溫器（低溫杜瓦或加熱器），7.抽空管路接口，8.測溫元件

2.2 溫控系統

低溫容器中的絕熱材料在制造過程中要經過加熱烘烤除氣過程，在使用過程中其厚度方向上的溫度梯度可由常溫連續變化到-196℃甚至更低，因此材料在高溫至低溫環境中的放氣情況對于的材料應用都有參考價值。測試系統通過使用低溫杜瓦和加熱器，可以控制測試樣品的溫度，樣品中的溫度通過如圖2中的8測溫原件進行測試。本系統的溫度范圍可實現在最高測試溫度為250℃、最低溫度為-196℃下的材料放氣率測試。在做材料低溫放氣率測試時，測試室內在材料的上方放置多層低溫反射屏，可有效降低外部熱量從端蓋處向材料進行輻射，這樣可保證材料溫度的均勻性。

2.3 抽氣系統

測試系統中的真空抽氣系統包括由分子泵和機械泵組成的一級抽氣系統和由濺射離子泵構成的二級抽氣系統。一級抽氣系統連接到抽空室，然后通過抽空室和測試室間的閥門對測試室進行抽真空處理；二級抽氣系統直接連接到測試室，通過兩級抽氣系統的作用測試室內可達到10-7Pa的真空度量級。

2.4 測試系統

在真空度測試方面，通過調查各種規管的性能發現：能夠測量高真空度的熱陰極規和冷陰極規都不適用于測試室的真空度測量，這是因為熱陰極規在開啟和關閉時會有吸放氣現象，這將會干擾測試室的真空度，而冷陰極規的測量精度不高。由于電容薄膜規的使用對測試室的氣體壓強影響比較小，因此本系統選用電容薄膜規來測試裝載樣品后的測試室的真空度。電容薄膜規的量程比較窄，測量范圍<10-3Pa，它不能夠完成整個測試過程中各階段的真空度測試，因此，在測試系統初始真空度時（這時真空度較高）借助連接在抽空室上的全量程規管進行測量，測量后將測試室與抽空室之間的閥門關閉，待測試室因材料放氣而升壓后再采用電容薄膜規進行升壓后的測試室真空度測量。

在研究材料的放氣性能時，不僅要測量材料的放氣率還要分析材料放出氣體的成分。本裝置選擇OmniStarGSD320四極質譜分析儀進行材料放氣成分的分析，進氣采樣管安裝在抽空室上，可分析裝載材料時的測試室氣體成分和測試室本底的氣體成分。根據四極質譜儀顯示的離子流大小，可以計算各種氣體的分壓力，估算材料放氣的成分份額。

3 樣品測試

圖3 常溫下材料出氣速率變化曲線

利用上述裝置對國內一知名深冷絕熱材料制造廠生產的深冷絕熱紙進行了放氣率的測試。該材料克重為12.2g/m2，測試樣品重量21.78g，測試溫度為26℃，該材料在升壓一小時內的放氣率測試結果如圖3所示。通過四級質譜儀分析材料放出的氣體主要有H2、H2O、N2等，其中H2O占的份額最大，約占90%以上。

4 結論

本文以低溫容器用深冷絕熱材料為對象進行了材料放氣率測試系統的設計，該系統是以靜態升壓法為基礎的。系統的設備配置考慮了低溫容器用深冷絕熱紙放氣率的量級，系統由于采用了離子泵，測試室的真空度可達10-7Pa，這樣延伸了系統的測量下限。該系統的測試條件也盡可能的涵蓋材料在實際低溫容器中應用時的溫度范圍，測試溫度最高為250℃，最低可達-196℃。利用該系統的測試結果可為深冷絕熱紙的實際應用提供最可靠的參考數據。

[1] 朱浩唯,黃永華,李駿,等.真空多層絕熱性能試驗裝置及初步實驗驗證[J].低溫工程,2012,(3):47-51.

[2] 夏莉,黃鈞,譚粵,等.低溫絕熱管道漏熱量測試方法研究[J].制冷與空調,2014,(1):68-71.

[3] 曾祥坡.真空材料放氣率測試方法研究[J].第十五屆全國質譜分析與檢漏會議暨第十屆全國真空計量測試年會,2009:134-138.

[4] N Schindler, D Schleuβner, C Edelmann. Measurements of partial outgassing rates[J].Vacuum,1996,47(4):351 -355.

[5] Y Koyatsu, H Miki, F Watanabe. Measurements of outgassing rate from copper and copper alloy chambers[J]. Vacuum, 1996,47(6-8):709-711.

[6] 馮焱,曾祥坡,張滌新,等.小孔流導法材料放氣率測量裝置的設計[J].宇航計測技術,2010,30(3):66-69.

[7] 馮焱,董猛,吳曉斌,等.基于分壓力測量的真空材料放氣率測試方法研究[J].真空,2013,50(4):49-52.

Study of the Pressure Increasing Rules of the Liquefied Natural Gas (LNG) Cylinders for Vehicles

Li Wei Xia Li Liu Jinliang

( Guangdong institute of special equipment inspection, Guangzhou, 510655 )

A testing system was designed for the outgassing rate of vacuum insulation cryogenic material, which was based on the method of pressure rising rate. The vacuum in the testing room could be reduced to 10-7Pa, which meant the lower measure limit of this system. The temperature of the tested material could be high to 250℃ with heating and low to -196℃ with cooling by liquid nitrogen. The testing results of the outgassing rate of vacuum insulation cryogenic material could be reference for design and utilization of the cryogenic vessels.

Cryogenic vessel; Vacuum insulation cryogenic material; Outgassing rate; Testing system

1671-6612（2016）05-582-04

TB657.9

A

國家質檢總局科技計劃項目2013QK266資助

李 蔚（1965.2-），男，高級工程師，E-mail：NCVC2013@163.com

夏 莉（1978.8-），女，博士，工程師，E-mail：xiali0060202122@163.com

2015-07-27