一种冰箱性能试验用试验包比热容校准装置的制作方法

1.本发明涉及比热容校准装置技术领域，具体涉及一种冰箱性能试验用试验包比热容校准装置。


背景技术：

2.根据gb/t 8059-2016标准的要求，冰箱性能试验过程中用到的试验包分为两种，一种冻结点为-1℃(热学性能相当于瘦牛肉)，另一种冻结点为-5℃(热学性能未作说明)，用来模拟实际使用中冰箱内的负载。标准中对其尺寸和质量给出了明确的技术指标要求，而热学性能并没有给出具体指标要求和考核方法。根据试验要求，试验包会时常经历解冻
→
冷冻
→
解冻的过程，长期使用后，热学性能可能发生改变，为保证冰箱性能试验结果的准确可靠，需要对热学性能技术指标进行定期校准。
3.现有方案对于较为极端温度物体比热容考虑的比较少，理论上温差越大装置漏冷/漏热越严重，对结果的准确性影响越大。
4.本发明一种冰箱性能试验用试验包比热容校准装置，可更好地实现被测物与环境温差较大时保温的问题。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.本发明提供一种冰箱性能试验用试验包比热容校准装置，解决现有设备存在漏冷/漏热越严重，对结果的准确性影响越大等缺陷。
7.(二)采用的技术方案
8.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案予以实现：一种冰箱性能试验用试验包比热容校准装置，所述校准装置包括箱体，箱体上设有压容器，箱体内设有和压容器相互配合的一号恒温气体发生仓、二号恒温气体发生仓以及真空泵；压容器由三层中空隔板和顶盖组成，三层中空隔板包括内层隔板、中间隔板和外层隔板，外层隔板侧壁和顶盖通过铰链连接，顶盖通过软管和外层隔板连通；顶盖和内层隔板之间形成测量室，测量室内设有第一气凝胶保温层，第一气凝胶保温层设置在内层隔板上，第一气凝胶保温层上设有加热膜，加热膜上放置被测样品。
9.作为本方案的进一步优化，所述真空泵通过连接管和内层隔板一侧底部、中层隔板一侧底部连通，连接管由上至下依次设有一号压力表、一号截止阀和三号压力表，所述连接管上设有分接管，分接管设置在一号截止阀和三号压力表之间，分接管一端和连接管连通、分接管另一端穿过内层隔板底部一侧并和测量室连通。
10.作为本方案的进一步优化，所述一号恒温气体发生仓一侧通过一号送风管和测量室一侧上部连通，一号送风管上设有一号气泵和三号截止阀，一号气泵靠近一号恒温气体发生仓一侧；一号恒温气体发生仓另一侧通过一号回风管和测量室另一侧底部连通，一号回风管上设有四号截止阀。
11.作为本方案的进一步优化，所述二号恒温气体发生仓一侧通过二号送风管和中间隔板一侧顶部连通，二号送风管上设有二号气泵；二号恒温气体发生仓另一侧通过二号回风管和中间隔板另一侧顶部连通。
12.作为本方案的进一步优化，所述一号恒温气体发生仓和二号恒温气体发生仓的上下两侧均设有帕尔贴，一号恒温气体发生仓和二号恒温气体发生仓的上侧帕尔贴上部均设有散热风扇。
13.作为本方案的进一步优化，所述顶盖内侧设有第二气凝胶保温层，内层隔板和外层隔板顶部镶嵌有石墨垫片，中间隔板顶部镶嵌有第三气凝胶层。
14.作为本方案的进一步优化，所述内层隔板、外层隔板以及顶盖为真空保温层，中间隔板为恒温层；内层隔板、中间隔板以及外层隔板结构为杜瓦瓶式结构，材料为不锈钢且内、外面均电镀为镜面。
15.(三)有益效果
16.本发明提供一种冰箱性能试验用试验包比热容校准装置，具有以下有益效果：
17.本发明可有效解决冰箱性能试验用试验包热学性能的校准问题，保证冰箱性能试验结果的准确可靠。
附图说明
18.以下结合附图进一步说明本发明；
19.图1为本发明结构示意图：
20.图2为样品恒温阶段判稳周期选取方法图；
21.图3为样品恒温阶段判判稳曲线截图；
22.图4为样品恒温阶段判判稳结果截图；
23.图5为样品测量阶段判稳曲线截图
24.图6为样品测量阶段判稳结果截图
25.图中：1、真空泵，2、一号截止阀，3、一号压力表，4、一号送风管，5、二号送风管，6、热电偶/铂电阻，7、热锚一，8、石墨垫片，9、第三气凝胶层，10、第二气凝胶层，11、测量室，12、顶盖，13、内层隔板，14、中间隔板，15、外层隔板，16、铰链，17、软管，18、加热膜，19、第一气凝胶层，20、一号回风管，21、二号回风管，22、散热风扇，23、帕尔贴，24、四号截止阀，25、铂电阻，26、一号恒温气体发生仓，27、二号恒温气体发生仓，28、箱体，29、三号压力表，30、三号截止阀，31、一号气泵，32、二号气泵，33、二号截止阀，34、二号压力表，35、热锚二，36、加热膜电源线，37、被测样品,38、连接管，39、分接管。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例
28.请参照图1，一种冰箱性能试验用试验包比热容校准装置，所述校准装置包括箱体
28，箱体上设有压容器，箱体内设有和压容器相互配合的一号恒温气体发生仓26、二号恒温气体发生仓27以及真空泵1；压容器由三层中空隔板和顶盖12组成，三层中空隔板包括内层隔板13、中间隔板14和外层隔板15，外层隔板15侧壁和顶盖12通过铰链16连接，顶盖12通过软管17和外层隔板15连通；顶盖12和内层隔板13之间形成测量室11，测量室11内设有第一气凝胶保温层19，第一气凝胶保温层19设置在内层隔板13上，第一气凝胶保温层19上设有加热18膜，加热膜上放置被测样品37。
29.作为本方案的进一步优化，所述真空泵1通过连接管38和内层隔板13一侧底部、中层隔板14一侧底部连通，连接管38由上至下依次设有一号压力表3、一号截止阀2和三号压力表29，所述连接管38上设有分接管39，分接管39设置在一号截止阀2和三号压力表29之间，分接管39一端和连接管38连通、分接管39另一端穿过内层隔板13底部一侧并和测量室11连通。
30.作为本方案的进一步优化，所述一号恒温气体发生仓26一侧通过一号送风管4和测量室11一侧上部连通，一号送风管4上设有一号气泵31和三号截止阀30，一号气泵31靠近一号恒温气体发生仓26一侧；一号恒温气体发生仓26另一侧通过一号回风管20和测量室11另一侧底部连通，一号回风管20上设有四号截止阀24。
31.作为本方案的进一步优化，所述二号恒温气体发生仓27一侧通过二号送风管5和中间隔板14一侧顶部连通，二号送风管5上设有二号气泵32；二号恒温气体发生仓27另一侧通过二号回风管21和中间隔板14另一侧顶部连通。
32.作为本方案的进一步优化，所述一号恒温气体发生仓26和二号恒温气体发生仓27的上下两侧均设有帕尔贴23，一号恒温气体发生仓和二号恒温气体发生仓的上侧帕尔贴上部均设有散热风扇22。
33.作为本方案的进一步优化，所述顶盖12内侧设有第二气凝胶保温层10，内层隔板13和外层隔板15顶部镶嵌有石墨垫片8，中间隔板14顶部镶嵌有第三气凝胶层9。
34.作为本方案的进一步优化，所述内层隔板13、外层隔板15以及顶盖12为真空保温层，中间隔板14为恒温层；内层隔板13、中间隔板14以及外层隔板15结构为杜瓦瓶式结构，材料为不锈钢且内、外面均电镀为镜面以减少热量的辐射损耗。
35.比热容校准装置组成
36.比热容计算公式为：
[0037][0038]
式中：
[0039]
c——比热容，j/(kg
·
k)；
[0040]
q——物质吸收(或放出)的热量，j；
[0041]
m——物质质量，kg；
[0042]
δt——物质温度变化量，k。
[0043]
根据以上公式，我们采用绝热法测量试验包比热容，这种方法非常直观且原理简单，能够很好地复现公式中的每一个参数。
[0044]
根据冰箱性能试验的需求，试验包大多保持在-18℃左右的状态使用，这一温度与室温差距较大，温差越大热交换率越高，为了减小这一影响，我们设计了一种三层中空隔板
的恒温恒压容器,参照图1；
[0045]
被测样品放置于测量室内的气凝胶测试台上，测试台上有两块面积约为90mm
×
90mm的加热膜，可分别进行通断电控制，以适应测量两种不同重量试验包时的需要，被测试验包放置时每条边超出加热膜的长度要尽可能相同。加热膜电源线36穿过气凝胶和三层隔板与底座的电源相连，电源线在气凝胶测试台内和恒温层内呈锯齿形走线，目的是为了增加气密性及形成“热锚二35”，以减少由连接线热传导导致的热量损耗。
[0046]
由于顶盖12无恒温层，在内侧附着有第二气凝胶保温层10以增强其保温效果，与垂直壁面间有柔性石墨垫片8(压缩回弹率》15％、应力松弛率《1％)进行密封。被测样品测温用热电偶/铂电阻6连接线经过三层中空隔板顶端的“倒梯形”结构伸出测量室11，“倒梯形”结构可增大连接线与恒温层顶端的接触面积，形成“热锚一7”，用以减少由连接线热传导导致的热量损耗。同时“倒梯形”结构也可增加密封层的接触面积，在一定程度上起到了增加气密性的作用，内层隔板和外层隔板上的石墨垫片、中间隔板上的第三气凝胶层分别设置在对用的“倒梯形”结构中。
[0047]
被测样品放置于测量室内的气凝胶测试台上，测试台上有两块面积约为90mm
×
90mm的加热膜，可分别进行通断电控制，以适应测量两种不同重量试验包时的需要，被测试验包放置时每条边超出加热膜的长度要尽可能相同。加热膜电源线穿过气凝胶和三层隔板与底座的电源相连，电源线在气凝胶测试台内和恒温层内呈锯齿形走线，目的是为了增加气密性及形成“热锚一”，以减少由连接线热传导导致的热量损耗。
[0048]
恒温气体发生仓共两个，分别给测量室和恒温层供给恒温气体，形成两套独立内循环的恒温系统，每个仓体尺寸约为200mm
×
100mm
×
100mm，由两块帕尔贴(额定功率85w)分别为仓体提供冷量和热量，提供冷量的帕尔贴装有散热风扇。内有pt100铂电阻测量仓内气体温度，通过横河mx100进行数据采集，使用西门子s7-200 smart plc逻辑控制器、横河ut55a温控表实现控制和显示功能；
[0049]
真空绝热系统使用sy-3000h无油真空泵(真空度-100kpa，流量150l/min)抽真空，并配有康斯特const211数字压力表(0.2级、测量范围(-100～0)kpa)进行监控，通过mx100进行数据采集与s7-200 smart相连，根据设定压力值实现自动启停的功能。
[0050]
比热容测量操作过程
[0051]
1、真空层抽真空阶段
[0052]
a、为减少恒温时间，应提前将待测试验包冷却至常用温度(例如-18℃)，放入测量室并关闭顶盖，设置初始温度-18℃，按设备启动键。
[0053]
b、按下设备启动键，一号截止阀打开，二号截止阀关闭，真空泵启动；
[0054]
c、待一号压力表压力达到-100kpa后继续抽5min，在一号截止阀关闭后，真空泵停止运行；
[0055]
d、当一号压力表压力值＞-90kpa时，控制系统会重启真空泵，在三号压力表达到-100kpa后打开一号截止阀，重复执行“c”步操作。
[0056]
2、样品恒温阶段
[0057]
按下设备启动键时三号、四号截止阀打开，恒温气体发生仓气泵开始工作，随着气流的循环，发生仓中的铂电阻测量回气温度反馈信号给控制系统，控制系统根据设定值与实测值的差值控制帕尔贴工作，使测量室与恒温层温度稳定在设定温度，并对被测样品热
电偶/铂电阻温度判稳。
[0058]
判稳周期需选取a、b、c三个连续但不重复的时间区间，每个区间包含相等数量完整的温度控制周期，每个区间最少的温度控制周期数量为1，也可由多个温控周期组成，可根据需要进行选择，一般不超过10个。若每个区间选取1个温度控制周期，则判稳周期为3个温度控制周期；若每个时间区间选取2个温度控制周期，则判稳周期为6个温度控制周期，依次类推。
[0059]
若果判稳周期内温度没有明显的温控周期，则选取3个紧邻的时间区间，每个区间的测试数据具有相等时间长度，每个区间的时间长度不少于5min。
[0060]
判稳按温控周期选取方法示例见图2，示例中每个区间包含了5个完整的温控周期。
[0061]
判稳条件见表1：
[0062]
表1样品恒温阶段判稳条件
[0063][0064][0065]
采样间隔为30s，每采一次样，对采样点之前的a、b、c区域进行判稳，判稳曲线及结果见图3、图4，满足判稳条件后运行下一阶段程序。
[0066]
3、测量室抽真空阶段
[0067]
a、恒温阶段，当测量室和恒温层温度都已判稳后，三号、四号截止阀关闭，一号恒温气体发生仓停止工作，停止气体循环；
[0068]
b、启动真空泵并打开二号截止阀，当二号压力表压力达到-100kpa后继续抽5min，在二号截止阀关闭后，真空泵停止运行；
[0069]
c、当二号压力表压力值＞-90kpa时，控制系统会重启真空泵，在三号压力表达到-100kpa后打开二号截止阀，重复执行“b”步操作。
[0070]
4、被测样品测量阶段
[0071]
通过加热膜对被测样品进行加热一定时间后停止加热，期间装置会自动记录加热的起止时间，可得加热时间δt，通过公式2可得加热膜在δt时间段内产生的热量q。
[0072]
q＝p
·
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0073]
式中：
[0074]
q——加热膜在δt时间段内产生的热量，j；
[0075]
p——加热膜的加热功率，w；
[0076]
δt——加热膜的加热时长，s。
[0077]
由于改状态下无温控周期，只能根据固定时长选取区间a、b、c，通过传感器监测被测样品温度的变化，根据表2的判稳条件进行判稳后，区间a的起始时间对应的温度t
x
为被测样品的最终温度，判稳曲线及结果见图5、图6。
[0078]
表2样品测量阶段判稳条件
[0079][0080]
通过公式3可得被测样品温度变化量。由公式1可直接计算得出被测样品的比热容。
[0081]
δt＝t
0-t
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0082]
式中：
[0083]
δt——被测样品温度变化量，℃；
[0084]
t0——被测样品初始温度，℃；
[0085]
t
x
——被测样品最终温度，℃。
[0086]
测量的同时，根据被测样品温度变化情况，恒温层温度也将进行实时调整，保持与测试室内温度同步变化，起到避免产生温度差的作用。
[0087]
总结
[0088]
比热容的测量和校准装置的设计可有效解决冰箱性能试验用试验包热学性能的校准问题，保证冰箱性能试验结果的准确可靠。
[0089]
本发明的基本教导已加以说明，对具有本领域通常技能的人而言，许多延伸和变
化将是显而易知者。由于说明书揭示的本发明可在未脱离本发明精神或大体特征的其它特定形式来实施，且这些特定形式的一些形式已经被指出，所以，说明书揭示的实施例应视为举例说明而非限制。本发明的范围是由所附的申请专利范围界定，而不是由上述说明所界定，对于落入申请专利范围的均等意义与范围的所有改变仍将包含在其范围之内。