一种深冷绝热纸放气率测试系统的研究

李 蔚 夏 莉 刘金良



一种深冷绝热纸放气率测试系统的研究

李 蔚 夏 莉 刘金良

（广东省特种设备检测研究院 广州 510655）

以低温容器用深冷绝热材料为对象进行了材料放气率测试系统的设计，该系统是以静态升压法为基础的。系统测试室的真空度可达10-7Pa，这样延伸了系统的测量下限。该系统测试温度最高为250℃，最低可达-196℃。利用该系统的测试结果可为深冷绝热纸的实际应用提供最可靠的参考数据。

低温容器；深冷绝热材料；放气率；测试系统

0 引言

由于高真空多层绝热材料的绝热性能突出，且抽真空工艺发展迅猛，目前低温液体运输车、低温容器、低温储罐等多采用高真空多层绝热[1]。对于这类采用多层绝热材料的低温容器，良好的夹层真空度是保证低温容器优良绝热性能的前提[2]。但在使用过程中由于不断地有材料放出气体而令低温容器夹层真空度变差，进而影响了低温容器的绝热性能。低温容器中破坏真空的漏放气来源主要是容器本体和绝热材料。在低温容器尤其是高真空低温容器中应用最为广泛的绝热材料就是由玻璃纤维纸和铝箔复合而成的多层绝热材料。通常的气瓶及低温液体罐车上多层绝热材料的用量都在几十甚至几百个平方，大型的低温容器中其用量也就更大，甚至用量达几千个平方，因此多层绝热材料的放气量对低温容器夹层真空度的影响很大，这一问题也随着多层绝热材料的广泛使用而引起业界的极大关注。

材料放气率被用来表征材料在真空状态下的放气情况，其定义为：在规定真空度、规定温度下，单位时间内单位质量的材料所放出的气体量，Pa·m3/（s·g）。在材料放气性能的实验研究过程中，逐渐形成了四种测试材料放气率的方法：静态升压法、收集法、称重法和气体流量法[3-5]。在国内，2011年兰州空间技术物理研究所研建了一台真空材料放气率测试装置[6]，可利用静态定容升压法、小孔流导法、双通道气路转换法进行真空材料放气率的测试，该系统可根据不同材料的放气率范围选择不同的测试方法，装置测量不确定度小，测量精度高[7]。目前，针对金属材料的放气率已有较为丰富的实验数据，但专门针对低温容器用深冷绝热纸的放气率测试数据较少；国内现有材料放气率测试装置中，专门针对深冷绝热纸放气率量级和特定测试要求设计的系统也还比较欠缺。本文设计的材料放气率测试系统考虑了低温容器用深冷绝热纸放气率的数量级大小，测试条件也尽可能的涵盖材料在实际低温容器中应用时的环境条件范围，利用该系统的测试结果以期为这类材料的实际应用提供最可靠的参考数据。

1 测试原理

考虑到测试材料的放气率量级及材料单位重量的放气面积比较大等因素，测试采用静态升压法比较适合。利用静态升压法原理，在一定的温度和试样质量条件下，将一定容积的测试室抽真空，采用直接测量法，测定在一段时间内，由于试样放气而引起的测试室的真空度变化，从而计算出试样在高真空条件下的放气速率。

测试室内样品的放气率一般与测试室内的压力上升率成正比。试样放气量由下列公式计算。

（1）测试室本底漏放气速率

式中：Q1为60分钟时间间隔时测试室本底漏放气速率，Pa·m3/s；为测试室容积，m3；1为关闭阀门时，真空计读数，Pa；2为60分钟时间间隔后，真空计读数，Pa；Δ为测试时间间隔，s。

（2）测试室本底（含试样）的漏放气速率

式中：Q2为60分钟时间间隔时测试室（含试样）的漏放气速率，Pa·m3/s；3为关闭阀门时，真空计读数，Pa；4为60分钟时间间隔后，真空计读数，Pa；Δ为测试时间间隔，s。

（3）试样放气速率

式中：为试样的放气速率，Pa·m3/（s·g）；为试样质量，g；Q1为60分钟间隔时测试室本底漏放气速率，Pa·m3/s；Q2为60分钟时间间隔时测试室（含试样）的漏放气速率，Pa·m3/s。

2 测试系统

利用静态升压法设计的深冷绝热纸放气率测试系统如图1所示，该系统主要包括4个部分：测试室，温控系统，抽气系统，测试系统（真空度测试、质谱分析）。

1.氮气瓶，2.液氮杜瓦，3.放气阀，4.加热器，5.测试室，6.高真空电容规，7.低真空电容规，8.抽空阀，9.微调阀，10.抽空室，11.四极质谱分析仪，12.检漏阀，13.插板阀，14.分子泵，15.前级泵阀，16.全量程规，17.预抽阀，18.旋片泵放气阀，19.旋片真空泵，20.插板阀，21.离子泵

测试前，首先启动真空机组对测试室预抽，测试室压力小于检漏仪允许检漏口最高压力后，开启氦质谱仪对系统进行检漏，当漏率满足要求后，再继续对测试室进行抽真空处理，当其真空度优于1×10-3Pa时记录真空计读数1，60min后记录真空计读数2，二者之差用于计算测试室本底漏放气速率。接下来将称重后的样品放入测试室并密封，重复上述捡漏过程并记录检漏仪的漏率指示值，要求系统漏率小于1×10-9Pa·m3/s，然后继续对装有样品的测试室抽真空抽到测试真空度后关闭测试是所有阀门，记录真空计读数3，60min后记录真空计读数4，两个压力之差用于计算测试室本底（含试样）漏放气速率；最后利用上述测试室的漏放气速率及装载样品后的测试室漏放气速率来计算样品的放气率。

2.1 测试室

在静态升压法的测试过程中，测试室压力升高是由测试室本身的漏放气和样品放气共同作用引起的。测试时，要求测试室本身的漏放气要小，而样品的放气量要大，以便提高测试准确性。因此，一方面，在测试时尽可能放置多一点样品，进而产生明显的由样品放气引起的升压；另一方面，系统测试室采用了表面经过处理的不锈钢，这样系统本身的漏放气量较小，使得由于材料放气而引起的升压更便于识别。测试室容积是按照装载样品质量为20g±2g的体积进行设计的，容积大约为1L，其结构如图2所示。

1.离子泵接口，2.规管接口，3.杜瓦盖，4.测试样品，5.低温反射屏，6.恒温器（低温杜瓦或加热器），7.抽空管路接口，8.测温元件

2.2 温控系统

低温容器中的绝热材料在制造过程中要经过加热烘烤除气过程，在使用过程中其厚度方向上的温度梯度可由常温连续变化到-196℃甚至更低，因此材料在高温至低温环境中的放气情况对于的材料应用都有参考价值。测试系统通过使用低温杜瓦和加热器，可以控制测试样品的温度，样品中的温度通过如图2中的8测温原件进行测试。本系统的温度范围可实现在最高测试温度为250℃、最低温度为-196℃下的材料放气率测试。在做材料低温放气率测试时，测试室内在材料的上方放置多层低温反射屏，可有效降低外部热量从端盖处向材料进行辐射，这样可保证材料温度的均匀性。

2.3 抽气系统

测试系统中的真空抽气系统包括由分子泵和机械泵组成的一级抽气系统和由溅射离子泵构成的二级抽气系统。一级抽气系统连接到抽空室，然后通过抽空室和测试室间的阀门对测试室进行抽真空处理；二级抽气系统直接连接到测试室，通过两级抽气系统的作用测试室内可达到10-7Pa的真空度量级。

2.4 测试系统

在真空度测试方面，通过调查各种规管的性能发现：能够测量高真空度的热阴极规和冷阴极规都不适用于测试室的真空度测量，这是因为热阴极规在开启和关闭时会有吸放气现象，这将会干扰测试室的真空度，而冷阴极规的测量精度不高。由于电容薄膜规的使用对测试室的气体压强影响比较小，因此本系统选用电容薄膜规来测试装载样品后的测试室的真空度。电容薄膜规的量程比较窄，测量范围<10-3Pa，它不能够完成整个测试过程中各阶段的真空度测试，因此，在测试系统初始真空度时（这时真空度较高）借助连接在抽空室上的全量程规管进行测量，测量后将测试室与抽空室之间的阀门关闭，待测试室因材料放气而升压后再采用电容薄膜规进行升压后的测试室真空度测量。

在研究材料的放气性能时，不仅要测量材料的放气率还要分析材料放出气体的成分。本装置选择OmniStarGSD320四极质谱分析仪进行材料放气成分的分析，进气采样管安装在抽空室上，可分析装载材料时的测试室气体成分和测试室本底的气体成分。根据四极质谱仪显示的离子流大小，可以计算各种气体的分压力，估算材料放气的成分份额。

3 样品测试

图3 常温下材料出气速率变化曲线

利用上述装置对国内一知名深冷绝热材料制造厂生产的深冷绝热纸进行了放气率的测试。该材料克重为12.2g/m2，测试样品重量21.78g，测试温度为26℃，该材料在升压一小时内的放气率测试结果如图3所示。通过四级质谱仪分析材料放出的气体主要有H2、H2O、N2等，其中H2O占的份额最大，约占90%以上。

4 结论

本文以低温容器用深冷绝热材料为对象进行了材料放气率测试系统的设计，该系统是以静态升压法为基础的。系统的设备配置考虑了低温容器用深冷绝热纸放气率的量级，系统由于采用了离子泵，测试室的真空度可达10-7Pa，这样延伸了系统的测量下限。该系统的测试条件也尽可能的涵盖材料在实际低温容器中应用时的温度范围，测试温度最高为250℃，最低可达-196℃。利用该系统的测试结果可为深冷绝热纸的实际应用提供最可靠的参考数据。

[1] 朱浩唯,黄永华,李骏,等.真空多层绝热性能试验装置及初步实验验证[J].低温工程,2012,(3):47-51.

[2] 夏莉,黄钧,谭粤,等.低温绝热管道漏热量测试方法研究[J].制冷与空调,2014,(1):68-71.

[3] 曾祥坡.真空材料放气率测试方法研究[J].第十五届全国质谱分析与检漏会议暨第十届全国真空计量测试年会,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] 冯焱,曾祥坡,张涤新,等.小孔流导法材料放气率测量装置的设计[J].宇航计测技术,2010,30(3):66-69.

[7] 冯焱,董猛,吴晓斌,等.基于分压力测量的真空材料放气率测试方法研究[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

国家质检总局科技计划项目2013QK266资助

李 蔚（1965.2-），男，高级工程师，E-mail：NCVC2013@163.com

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

2015-07-27