一種絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置的製作方法

2023-11-05 05:09:02

專利名稱：一種絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種保溫性能的測量裝置，尤其涉及一種絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置。屬於熱傳遞測量技術領域。
背景技術：
絮填纖維集合體常用作衣物保暖材料，其保暖功能主要是通過阻斷熱量傳播的途徑來實現。熱量傳播主要通過傳導、對流和輻射三種方式進行。在實際應用中，絮填材料本身的特性和內部結構影響著其對熱量的傳遞速度，其體積密度是影響絮填集合體保暖性能的因素之一。目前，針對織物熱傳遞性能的測試裝置較多，而專門用於絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置很少。以往對絮填材料熱傳遞性能的測試多是通過製作試樣袋，把纖維集合體裝進試樣袋中，放在織物平板保暖儀上進行熱傳遞性能的測試。而專利申請號為200510024967.4的中國發明專利公開了一種變密度纖維集合體傳導性的原位綜合測量方法與裝置，該裝置是對纖維集合體的各種傳導性能進行測試，其中對熱傳導性能測試時，選用的加熱器呈小體積塊狀，距離纖維試樣有一定的距離，加熱器周圍溫度高，偏離加熱器的地方溫度低，所以發熱的均勻性較難控制。其散熱通過推筒測量腔底部的小孔進行對流散熱，這與人體皮膚主要是通過微小毛孔進行傳導和輻射散熱有較大的差異，不能真實模仿人體的散熱環境。使用 了絮填纖維集合體的衣物在實際穿用過程中，其保暖性受環境空氣流動速度的影響很大，雖然該裝置的推筒測量腔頂部有氣孔窗，通過調節可以改善筒內的透氣性，但這與實際穿用過程中絮填材料直接與大氣完全接觸仍存在較大差異，導致測得的熱傳遞性能有偏差。對於推筒驅動部分，通過移動梁與驅動雙螺杆連接，採用電機傳動來控制推筒測量腔的運動，這種傳動結構相對比較複雜，實現成本較高。除此之外，試樣筒底部卡套在下測量腔中，上部掛於懸掛架的掛鈎上，需調節懸掛試樣筒的平衡後才能夠進行試驗，該結構繁瑣，操作不便。裝置對纖維集合體熱傳導性能的測量只有上、下測量腔的溫度指標，無熱流量等其他相關參數，只能得到上下測量腔溫度比，來定性給出纖維集合體的熱傳導性能，不能定量得到纖維集合體的保溫率、熱阻和克羅值這些準確的傳熱性能指標。

發明內容
本發明是在申請號為200510024967.4的發明專利的基礎上，結合熱傳遞性能測試的實際情況進行的改進。本發明需要解決的技術問題為:a、加熱器發熱的均勻性較難控制，絮填纖維集合體無法獲得穩定、均勻的加熱；b、其散熱方式與人體皮膚的散熱方式有較大的差異，不能真實模仿人體的散熱環境，造成測量結果的可參考性較差；C、絮填材料與外界空氣直接接觸性較差，這與實際穿用過程存在較大差異，導致測得的熱傳遞性能有偏差；d、推筒驅動部分的傳動結構比較複雜，實現成本較高；
e、需先調節懸掛試樣筒的平衡後才能夠進行試驗，操作繁瑣不便；f、只能定性給出纖維集合體的熱傳導性能，不能定量得到纖維集合體的保溫率、熱阻和克羅值這些準確的傳熱性能指標。專業性及測量結果的參考價值不高。本發明採取以下技術方案:一種絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，包括隔熱保護座1，所述隔熱保護座I上部設有兩段式的凹槽，所述凹槽下層從下而上依次設有發熱板2、熱流傳感器3、醫用矽膠層4，所述醫用矽膠層4的平面尺寸與所述凹槽下層的平面尺寸相同，其上部設有第一溫度傳感器5 ;所述凹槽上層與試樣筒7緊固配合，所述試樣筒7的內側面與推筒8的外側面滑動配合，所述推筒8上端開放，下端設有網眼隔層，所述網眼隔層上方固定設置第二溫度傳感器9，所述推筒8外壁固定設置筒箍12，所述筒箍12設有豎直通孔，所述豎直通孔內套入螺杆10，並通過一對高度調節螺母11與螺杆10固定連接，所述螺杆10與所述隔熱保護座I上端面固定連接，調節一對高度調節螺母11，推筒8在試樣筒7內上下移動；所述加熱板2，熱流傳感器3，第一、二溫度傳感器5、9與外部的控制電路連接，並通過信號採集裝置與計算機相連進行數據處理。進一步的，所述加熱板2、熱流傳感器3的平面尺寸均與所述凹槽下層的平面尺寸相同。進一步的，所述兩段式凹槽呈圓柱形，所述試樣筒7、推筒8均呈圓柱形。進一步的，隔熱保護座I底部及四周均以內襯聚氨酯泡沫塑料的有機玻璃外殼作隔熱保護層。進一步的，所述發熱板2由螺旋排列的鎳鉻電阻絲，均勻黏附在鋁板上所構成。進一步的，所述熱流傳感器3為熱阻式熱流傳感器。進一步的，所述第一溫度傳感器5採用薄片狀PN結溫度傳感器。進一步的，試樣筒7、推筒8為透明、絕熱高聚物，試樣筒7外壁上刻有刻度。進一步的，所述第二溫度傳感器9採用PN結溫度傳感器。以下對本發明的技術方案進行進一步詳述:本發明實施的原理是在絮填纖維集合體的一端施加和人體體溫相近的熱作用，並通過模擬人體皮膚模仿人體散熱，進而測試絮填纖維集合體在實際穿用過程中的熱傳遞性能。同時，可以通過在絮填纖維集合體的一端施力擠壓來改變纖維集合體的體積密度，探究體積密度對於絮填纖維集合體保暖性能的影響。本發明通過螺旋排列成環形的鎳鉻電阻絲與熱阻較小的鋁板配合使用，可以發出均勻的、和人體體溫相近的熱作用。通過醫用矽膠層來模擬人體皮膚從而模仿人體散熱，使裝置的散熱環境更加接近人體。推筒的上部完全開放，與大氣直接相通，能夠更好地模仿絮填纖維集合體在實際穿用過程中的大氣環境。使用螺杆與螺母配合，通過擰動螺母即可控制推筒的運動，從而實現改變絮填纖維集合體體積密度的目的，較之使用移動梁與驅動雙螺杆連接，通過電機傳動控制推筒測量腔的運動大大簡化，使用便捷，成本降低。試樣筒直接卡套在隔熱保護座兩段式凹槽的上部，即可實現平衡和穩定固定，省去了調節試樣筒平衡的環節，結構和使用都明顯得到簡化。通過獲得試驗總時間、累計加熱時間、第一、二溫度傳感器所測得的溫度以及熱流傳感器功率參數等，計算得出散熱量、保溫率、熱阻和克羅值，進而客觀準確地定量表徵絮填纖維集合體的熱傳遞性能。
該測量裝置主要由四部分組成，分別為:發熱部分、試樣筒、推筒、控制電路與信號米集部分。a、隔熱保護座I是帶有圓柱形槽的長方體，圓柱形槽呈兩段式的凹槽，凹槽的下部放置測量裝置的加熱部分，直徑為10cm，包括發熱板2、熱流傳感器3、醫用矽膠層4、第一溫度傳感器5，兩段式凹槽的上部用來卡套試樣筒7，直徑為11cm，隔熱保護座I底部以及四周均由內襯聚氨酯泡沫塑料的有機玻璃外殼作隔熱保護層，其在保證裝置安穩放置的同時防止熱量損失。發熱板2由螺旋排列成環形的鎳鉻電阻絲，均勻黏附在厚度為3_、直徑為IOcm的圓形鋁板上所構成，這種設計使發熱板發熱均勻。位於發熱板2上部的熱流傳感器3為熱阻式熱流傳感器，用來測試作用在醫用矽膠層4上的熱量，其尺寸和發熱板2相同，這類傳感器輸出信號大，靈敏度較高，輸出的電壓與熱流具有良好的線性關係。醫用矽膠層4的直徑和熱流傳感器3相同，平鋪在熱流傳感器3上，醫用矽膠材料可以通過表面微小、類似於人體皮膚毛孔的微孔進行散熱，比較接近人體皮膚的真實散熱方式，並且具有良好的形狀穩定性。第一溫度傳感器5放置在醫用矽膠層4上，選用微小薄片狀PN結溫度傳感器，靈敏度較高，且不影響模擬皮膚的散熱。b、試樣筒7卡套在隔熱保護座I的兩段式凹槽的上部，筒壁厚5mm，外徑為11cm，高度為15cm，材料為全透明、絕熱高聚物，筒壁上刻有刻度，可以定量控制纖維集合體的高度，進而控制其體積密度，從而實現不同體積密度絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量。C、推筒8，上部完全開放，與大氣直接相通，底部帶有網眼隔層，既能很好地傳遞熱量，又能夠實現對絮填纖維集合體的擠壓，其外徑和試樣筒7的內徑相同，為10cm，筒壁厚5_，所用材料和試樣筒7相同，網眼密而多，保證試樣筒7和推筒8中的熱流暢通。第二溫度傳感器9，固定在推筒8上可隨推筒上下移動，選用PN結溫度傳感器，這種傳感器尺寸小、靈敏度高。螺杆10固定在隔熱保護座I上，其公制直徑為10mm，高度調節螺母11與其配合使用，固定推筒8的筒箍12套在螺杆10上，一對高度調節螺母11分別固定在筒箍的上、下兩側，通過擰動和改變高度調節螺母11在螺杆10上的高低位置來控制推筒8的升降運動，從而實現絮填纖維集合體體積密度的變化。d、控制電路和信號採集裝置與發熱板2、熱流傳感器3、第一溫度傳感器5和第二溫度傳感器9相連接，信號採集裝置與計算機相連可實現數據的自動化處理，其主要由放大電路、轉換器和單片機組成，放大電路主要是將傳感器輸出的微弱信號放大，滿足轉換器對輸入信號的要求，轉換器將放大後的模擬信號轉換成數位訊號，單片機完成信號的採集、存儲、預處理等。本發明依據《紡織品保溫性能的試驗方法》GB11048-1989標準，先檢測空筒時裝置的散熱量Q1，然後放入絮填纖維集合體試樣，在其一端通過熱體施加熱作用，測試放入試樣後的散熱量Q2，放入試樣後的散熱量92和空筒時的散熱量Q1的差值與空筒時的散熱量Q1的比值，即為絮填纖維集合體的保溫率，熱阻和克羅值可以通過與保溫率的關係計算得出。散熱量Q是由試驗的總時間、累計加熱時間、第一溫度傳感器5和第二溫度傳感器9的溫度以及熱流傳感器3所檢測的功率計算得出。本發明的有益效果在於:I)能夠施加均勻的、和人體體溫相近的熱作用，通過模擬人體皮膚模仿人體散熱，真實模仿人體的發熱環境，真實表達絮填材料在實際穿用過程中的熱傳遞性能；
2)裝置結構簡單、成本較低；3)測試精度高，適用於各種絮填纖維集合體熱傳遞性能的測試；4)推筒上端不封閉，使絮填材料充分與外界空氣接觸，模擬了實際穿用過程，使得測試結構更具有可參考性；5)推筒與隔熱保護座實現剛性連接，使用前無需調節平衡，操控簡便；6)追加設置熱流傳感器，能夠測得保溫率、熱阻和克羅值這些準確的傳熱性能指標，專業性及測量結果的參考價值更高。


圖1是本發明絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置的剖視示意圖。圖2是圖1的俯視示意圖。圖3是信號採集裝置框圖。圖4是採用本發明裝置測得的羽絨纖維集合體保溫率與體積密度的關係曲線圖。其中，I一隔熱保護座；2—發熱板；3—熱流傳感器；4一醫用矽膠層；5—第一溫度傳感器；6—絮填纖維集合體；7—試樣筒；8—推筒；9一第二溫度傳感器；10—螺杆；11 一高度調節螺母；12—筒箍。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進一步說明。通過以下實施例將有助於理解本發明，但並不限制本發明的保護範圍。為了確保測量裝置的精確度和靈敏度，保證測量數據的誤差不超過規定的範圍，要先進行測量裝置顯示值與標準值的校對。第一、二溫度傳感器所傳出的信號，經過轉換後即為溫度，以標準大氣條件下的溼球溫度計的溫度為標準溫度對該溫度進行標定，標定後誤差不大於0.1°C。裝置發熱功率的穩定性判定則以在相同的間隔時間內，四組連續讀數的熱阻值差別不超過1%，且不是單調地向一個方向改變時，視為穩定狀態。採用25V穩壓直流供電給發熱板加熱，此時熱流傳感器的輸出信號比交流供電時穩定，波動小，發熱板的功率為6W，採用WMNK400型溫度控制器控制通電時間的長短，使發熱板的溫度恆定在35°C，相當於人體皮下溫度，精度為0.1°C。參見圖1，在空筒時，先進行儀器的預熱，使發熱板溫度保持在35°C，模擬皮膚，即醫用矽膠層4上的第一溫度傳感器5的溫度穩定後，即可開始試驗。先進行空筒的空白試驗，在試樣筒中不放置任何試樣，調節一對高度調節螺母11，推筒8的高度移動至目標刻度的位置，通入25V的穩壓直流電，一定時間後，由計算機讀取試驗的總時間t !和累計加熱時間t 2，在試驗的過程中要記錄第一溫度傳感器5的溫度T1、推筒8上的第二溫度傳感器9的溫度T2，以及熱流傳感器3上的功率N，通過總時間t 1、累計加熱時間t 2、溫度T1、溫度T2以及功率N計算出空筒時的散熱量Q1。

空白試驗後，在試樣筒7中均勻地放入隨機排列的羽絨纖維集合體2g，通過擰動螺杆10上的一對高度調節螺母11來控制推筒8的降落，從而使推筒8擠壓羽絨纖維集合體，使其體積密度發生改變，推筒8的位置與前述空筒時測量的高度位置刻度相同，打開裝置電源進行試驗，一定時間後，由計算機讀取試驗的總時間t i』和累計加熱時間t 2』，記錄第一溫度傳感器5的溫度T/和推筒8上的第二溫度傳感器9的溫度T2 』，通過總時間t /、累計加熱時間t 2』、溫度T/、溫度T2』以及空筒試驗中測得的熱流傳感器3上的功率N計算羽絨纖維集合體的散熱量Q2，再由％、Q2計算出羽絨纖維集合體的保溫率，熱阻和克羅值可以通過與保溫率的關係計算得出。由此測得的羽絨纖維集合體的保溫率M與其體積密度P的關係曲線，如附圖4所示。
權利要求
1.一種絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於: 包括隔熱保護座(I )，所述隔熱保護座(I)上部設有兩段式的凹槽，所述凹槽下層從下而上依次設有發熱板(2)、熱流傳感器(3)、醫用矽膠層(4)，所述醫用矽膠層(4)的平面尺寸與所述凹槽下層的平面尺寸相同，其上部設有第一溫度傳感器(5); 所述凹槽上層與試樣筒(7)緊固配合，所述試樣筒(7)的內側面與推筒(8)的外側面滑動配合，所述推筒(8)上端開放，下端設有網眼隔層，所述網眼隔層上方固定設置第二溫度傳感器(9)，所述推筒(8)外壁固定設置筒箍(12)，所述筒箍(12)設有豎直通孔，所述豎直通孔內套入螺杆(10)，並通過一對高度調節螺母(11)與螺杆(10)固定連接，所述螺杆(10)與所述隔熱保護座(I)上端面固定連接，調節所述一對高度調節螺母(11 )，推筒(8)在試樣筒(7)內上下移動； 所述加熱板(2)，熱流傳感器(3)，第一、二溫度傳感器(5、9)與外部的控制電路連接，並通過信號採集裝置與計算機相連進行數據處理。
2.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:所述加熱板(2 )、熱流傳感器(3 )的平面尺寸均與所述凹槽下層的平面尺寸相同。
3.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:所述兩段式凹槽呈圓柱形，所述試樣筒(7)、推筒(8)均呈圓柱形。
4.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:隔熱保護座(I)底部及四周均以內襯聚氨酯泡沫塑料的有機玻璃外殼作隔熱保護層。
5.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:所述發熱板(2 )由螺旋排列的鎳鉻電阻絲，均勻黏附在鋁板上所構成。
6.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:所述熱流傳感器(3)為熱阻式熱流傳感器。
7.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:所述第一溫度傳感器(5)採用薄片狀PN結溫度傳感器。
8.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:試樣筒(7)、推筒(8)為透明、絕熱高聚物，試樣筒(7)外壁上刻有刻度。
9.如權利要求1所述的絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於:所述第二溫度傳感器(9)採用PN結溫度傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種絮填纖維集合體熱傳遞性能的測量裝置，其特徵在於包括隔熱保護座，隔熱保護座上部設有兩段式的凹槽，凹槽下層從下而上依次設有發熱板、熱流傳感器、醫用矽膠層，發熱板、熱流傳感器及醫用矽膠層的平面尺寸與凹槽下層的平面尺寸相同，醫用矽膠層上部設有第一溫度傳感器；凹槽上層與試樣筒緊固配合，試樣筒的內側面與推筒的外側面滑動配合，推筒上端開放，下端設有網眼隔層，網眼隔層上方固定設置第二溫度傳感器，推筒外壁固定設置筒箍，筒箍設有豎直通孔，豎直通孔內套入螺杆，並通過一對高度調節螺母與螺杆固定連接，螺杆與隔熱保護座上端面固定連接；加熱板，熱流傳感器，第一、二溫度傳感器與控制電路連接。
文檔編號G01N25/20GK103196944SQ20131007030
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月6日 優先權日2013年3月6日
發明者劉茜, 馬豔麗 申請人:上海工程技術大學