CN103196944B - 一种絮填纤维集合体热传递性能的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：包括隔热保护座，隔热保护座上部设有两段式的凹槽，凹槽下层从下而上依次设有发热板、热流传感器、医用硅胶层，发热板、热流传感器及医用硅胶层的平面尺寸与凹槽下层的平面尺寸相同，医用硅胶层上部设有第一温度传感器；凹槽上层与试样筒紧固配合，试样筒的内侧面与推筒的外侧面滑动配合，推筒上端开放，下端设有网眼隔层，网眼隔层上方固定设置第二温度传感器，推筒外壁固定设置筒箍，筒箍设有竖直通孔，竖直通孔内套入螺杆，并通过一对高度调节螺母与螺杆固定连接，螺杆与隔热保护座上端面固定连接；加热板，热流传感器，第一、二温度传感器与控制电路连接。

Description

一种絮填纤维集合体热传递性能的测量装置

技术领域

本发明涉及一种保温性能的测量装置，尤其涉及一种絮填纤维集合体热传递性能的测量装置。属于热传递测量技术领域。

背景技术

絮填纤维集合体常用作衣物保暖材料，其保暖功能主要是通过阻断热量传播的途径来实现。热量传播主要通过传导、对流和辐射三种方式进行。在实际应用中，絮填材料本身的特性和内部结构影响着其对热量的传递速度，其体积密度是影响絮填集合体保暖性能的因素之一。

目前，针对织物热传递性能的测试装置较多，而专门用于絮填纤维集合体热传递性能的测量装置很少。以往对絮填材料热传递性能的测试多是通过制作试样袋，把纤维集合体装进试样袋中，放在织物平板保暖仪上进行热传递性能的测试。而专利申请号为200510024967.4的中国发明专利公开了一种变密度纤维集合体传导性的原位综合测量方法与装置，该装置是对纤维集合体的各种传导性能进行测试，其中对热传导性能测试时，选用的加热器呈小体积块状，距离纤维试样有一定的距离，加热器周围温度高，偏离加热器的地方温度低，所以发热的均匀性较难控制。其散热通过推筒测量腔底部的小孔进行对流散热，这与人体皮肤主要是通过微小毛孔进行传导和辐射散热有较大的差异，不能真实模仿人体的散热环境。使用了絮填纤维集合体的衣物在实际穿用过程中，其保暖性受环境空气流动速度的影响很大，虽然该装置的推筒测量腔顶部有气孔窗，通过调节可以改善筒内的透气性，但这与实际穿用过程中絮填材料直接与大气完全接触仍存在较大差异，导致测得的热传递性能有偏差。对于推筒驱动部分，通过移动梁与驱动双螺杆连接，采用电机传动来控制推筒测量腔的运动，这种传动结构相对比较复杂，实现成本较高。除此之外，试样筒底部卡套在下测量腔中，上部挂于悬挂架的挂钩上，需调节悬挂试样筒的平衡后才能够进行试验，该结构繁琐，操作不便。装置对纤维集合体热传导性能的测量只有上、下测量腔的温度指标，无热流量等其他相关参数，只能得到上下测量腔温度比，来定性给出纤维集合体的热传导性能，不能定量得到纤维集合体的保温率、热阻和克罗值这些准确的传热性能指标。

发明内容

本发明是在申请号为200510024967.4的发明专利的基础上，结合热传递性能测试的实际情况进行的改进。本发明需要解决的技术问题为：

a、加热器发热的均匀性较难控制，絮填纤维集合体无法获得稳定、均匀的加热；

b、其散热方式与人体皮肤的散热方式有较大的差异，不能真实模仿人体的散热环境，造成测量结果的可参考性较差；

c、絮填材料与外界空气直接接触性较差，这与实际穿用过程存在较大差异，导致测得的热传递性能有偏差；

d、推筒驱动部分的传动结构比较复杂，实现成本较高；

e、需先调节悬挂试样筒的平衡后才能够进行试验，操作繁琐不便；

f、只能定性给出纤维集合体的热传导性能，不能定量得到纤维集合体的保温率、热阻和克罗值这些准确的传热性能指标。专业性及测量结果的参考价值不高。

本发明采取以下技术方案：

一种絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，包括隔热保护座1，所述隔热保护座1上部设有两段式的凹槽，所述凹槽下层从下而上依次设有发热板2、热流传感器3、医用硅胶层4，所述医用硅胶层4的平面尺寸与所述凹槽下层的平面尺寸相同，其上部设有第一温度传感器5；所述凹槽上层与试样筒7紧固配合，所述试样筒7的内侧面与推筒8的外侧面滑动配合，所述推筒8上端开放，下端设有网眼隔层，所述网眼隔层上方固定设置第二温度传感器9，所述推筒8外壁固定设置筒箍12，所述筒箍12设有竖直通孔，所述竖直通孔内套入螺杆10，并通过一对高度调节螺母11与螺杆10固定连接，所述螺杆10与所述隔热保护座1上端面固定连接，调节一对高度调节螺母11，推筒8在试样筒7内上下移动；所述加热板2，热流传感器3，第一、二温度传感器5、9与外部的控制电路连接，并通过信号采集装置与计算机相连进行数据处理。

进一步的，所述加热板2、热流传感器3的平面尺寸均与所述凹槽下层的平面尺寸相同。

进一步的，所述两段式凹槽呈圆柱形，所述试样筒7、推筒8均呈圆柱形。

进一步的，隔热保护座1底部及四周均以内衬聚氨酯泡沫塑料的有机玻璃外壳作隔热保护层。

进一步的，所述发热板2由螺旋排列的镍铬电阻丝，均匀黏附在铝板上所构成。

进一步的，所述热流传感器3为热阻式热流传感器。

进一步的，所述第一温度传感器5采用薄片状PN结温度传感器。

进一步的，试样筒7、推筒8为透明、绝热高聚物，试样筒7外壁上刻有刻度。

进一步的，所述第二温度传感器9采用PN结温度传感器。

以下对本发明的技术方案进行进一步详述：

本发明实施的原理是在絮填纤维集合体的一端施加和人体体温相近的热作用，并通过模拟人体皮肤模仿人体散热，进而测试絮填纤维集合体在实际穿用过程中的热传递性能。同时，可以通过在絮填纤维集合体的一端施力挤压来改变纤维集合体的体积密度，探究体积密度对于絮填纤维集合体保暖性能的影响。

本发明通过螺旋排列成环形的镍铬电阻丝与热阻较小的铝板配合使用，可以发出均匀的、和人体体温相近的热作用。通过医用硅胶层来模拟人体皮肤从而模仿人体散热，使装置的散热环境更加接近人体。推筒的上部完全开放，与大气直接相通，能够更好地模仿絮填纤维集合体在实际穿用过程中的大气环境。使用螺杆与螺母配合，通过拧动螺母即可控制推筒的运动，从而实现改变絮填纤维集合体体积密度的目的，较之使用移动梁与驱动双螺杆连接，通过电机传动控制推筒测量腔的运动大大简化，使用便捷，成本降低。试样筒直接卡套在隔热保护座两段式凹槽的上部，即可实现平衡和稳定固定，省去了调节试样筒平衡的环节，结构和使用都明显得到简化。通过获得试验总时间、累计加热时间、第一、二温度传感器所测得的温度以及热流传感器功率参数等，计算得出散热量、保温率、热阻和克罗值，进而客观准确地定量表征絮填纤维集合体的热传递性能。

该测量装置主要由四部分组成，分别为：发热部分、试样筒、推筒、控制电路与信号采集部分。

a、隔热保护座1是带有圆柱形槽的长方体，圆柱形槽呈两段式的凹槽，凹槽的下部放置测量装置的加热部分，直径为10cm，包括发热板2、热流传感器3、医用硅胶层4、第一温度传感器5，两段式凹槽的上部用来卡套试样筒7，直径为11cm，隔热保护座1底部以及四周均由内衬聚氨酯泡沫塑料的有机玻璃外壳作隔热保护层，其在保证装置安稳放置的同时防止热量损失。发热板2由螺旋排列成环形的镍铬电阻丝，均匀黏附在厚度为3mm、直径为10cm的圆形铝板上所构成，这种设计使发热板发热均匀。位于发热板2上部的热流传感器3为热阻式热流传感器，用来测试作用在医用硅胶层4上的热量，其尺寸和发热板2相同，这类传感器输出信号大，灵敏度较高，输出的电压与热流具有良好的线性关系。医用硅胶层4的直径和热流传感器3相同，平铺在热流传感器3上，医用硅胶材料可以通过表面微小、类似于人体皮肤毛孔的微孔进行散热，比较接近人体皮肤的真实散热方式，并且具有良好的形状稳定性。第一温度传感器5放置在医用硅胶层4上，选用微小薄片状PN结温度传感器，灵敏度较高，且不影响模拟皮肤的散热。

b、试样筒7卡套在隔热保护座1的两段式凹槽的上部，筒壁厚5mm，外径为11cm，高度为15cm，材料为全透明、绝热高聚物，筒壁上刻有刻度，可以定量控制纤维集合体的高度，进而控制其体积密度，从而实现不同体积密度絮填纤维集合体热传递性能的测量。

c、推筒8，上部完全开放，与大气直接相通，底部带有网眼隔层，既能很好地传递热量，又能够实现对絮填纤维集合体的挤压，其外径和试样筒7的内径相同，为10cm，筒壁厚5mm，所用材料和试样筒7相同，网眼密而多，保证试样筒7和推筒8中的热流畅通。第二温度传感器9，固定在推筒8上可随推筒上下移动，选用PN结温度传感器，这种传感器尺寸小、灵敏度高。螺杆10固定在隔热保护座1上，其公制直径为10mm，高度调节螺母11与其配合使用，固定推筒8的筒箍12套在螺杆10上，一对高度调节螺母11分别固定在筒箍的上、下两侧，通过拧动和改变高度调节螺母11在螺杆10上的高低位置来控制推筒8的升降运动，从而实现絮填纤维集合体体积密度的变化。

d、控制电路和信号采集装置与发热板2、热流传感器3、第一温度传感器5和第二温度传感器9相连接，信号采集装置与计算机相连可实现数据的自动化处理，其主要由放大电路、转换器和单片机组成，放大电路主要是将传感器输出的微弱信号放大，满足转换器对输入信号的要求，转换器将放大后的模拟信号转换成数字信号，单片机完成信号的采集、存储、预处理等。

本发明依据《纺织品保温性能的试验方法》GB11048-1989标准，先检测空筒时装置的散热量Q₁，然后放入絮填纤维集合体试样，在其一端通过热体施加热作用，测试放入试样后的散热量Q₂，放入试样后的散热量Q₂和空筒时的散热量Q₁的差值与空筒时的散热量Q₁的比值，即为絮填纤维集合体的保温率，热阻和克罗值可以通过与保温率的关系计算得出。散热量Q是由试验的总时间、累计加热时间、第一温度传感器5和第二温度传感器9的温度以及热流传感器3所检测的功率计算得出。

本发明的有益效果在于：

1）能够施加均匀的、和人体体温相近的热作用，通过模拟人体皮肤模仿人体散热，真实模仿人体的发热环境，真实表达絮填材料在实际穿用过程中的热传递性能；

2）装置结构简单、成本较低；

3）测试精度高，适用于各种絮填纤维集合体热传递性能的测试；

4）推筒上端不封闭，使絮填材料充分与外界空气接触，模拟了实际穿用过程，使得测试结构更具有可参考性；

5）推筒与隔热保护座实现刚性连接，使用前无需调节平衡，操控简便；

6）追加设置热流传感器，能够测得保温率、热阻和克罗值这些准确的传热性能指标，专业性及测量结果的参考价值更高。

附图说明

图1是本发明絮填纤维集合体热传递性能的测量装置的剖视示意图。

图2是图1的俯视示意图。

图3是信号采集装置框图。

图4是采用本发明装置测得的羽绒纤维集合体保温率与体积密度的关系曲线图。

其中，1—隔热保护座；2—发热板；3—热流传感器；4—医用硅胶层；5—第一温度传感器；6—絮填纤维集合体；7—试样筒；8—推筒；9—第二温度传感器；10—螺杆；11—高度调节螺母；12—筒箍。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明。

通过以下实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的保护范围。

为了确保测量装置的精确度和灵敏度，保证测量数据的误差不超过规定的范围，要先进行测量装置显示值与标准值的校对。第一、二温度传感器所传出的信号，经过转换后即为温度，以标准大气条件下的湿球温度计的温度为标准温度对该温度进行标定，标定后误差不大于0.1℃。装置发热功率的稳定性判定则以在相同的间隔时间内，四组连续读数的热阻值差别不超过1%，且不是单调地向一个方向改变时，视为稳定状态。

采用25V稳压直流供电给发热板加热，此时热流传感器的输出信号比交流供电时稳定，波动小，发热板的功率为6W，采用WMNK400型温度控制器控制通电时间的长短，使发热板的温度恒定在35℃，相当于人体皮下温度，精度为0.1℃。

参见图1，在空筒时，先进行仪器的预热，使发热板温度保持在35℃，模拟皮肤，即医用硅胶层4上的第一温度传感器5的温度稳定后，即可开始试验。先进行空筒的空白试验，在试样筒中不放置任何试样，调节一对高度调节螺母11，推筒8的高度移动至目标刻度的位置，通入25V的稳压直流电，一定时间后，由计算机读取试验的总时间ｔ₁和累计加热时间ｔ₂，在试验的过程中要记录第一温度传感器5的温度T₁、推筒8上的第二温度传感器9的温度T₂，以及热流传感器3上的功率N，通过总时间ｔ₁、累计加热时间ｔ₂、温度T₁、温度T₂以及功率N计算出空筒时的散热量Q₁。

空白试验后，在试样筒7中均匀地放入随机排列的羽绒纤维集合体2g，通过拧动螺杆10上的一对高度调节螺母11来控制推筒8的降落，从而使推筒8挤压羽绒纤维集合体，使其体积密度发生改变，推筒8的位置与前述空筒时测量的高度位置刻度相同，打开装置电源进行试验，一定时间后，由计算机读取试验的总时间ｔ₁’和累计加热时间ｔ₂’，记录第一温度传感器5的温度T₁’和推筒8上的第二温度传感器9的温度T₂’，通过总时间ｔ₁’、累计加热时间ｔ₂’、温度T₁’、温度T₂’以及空筒试验中测得的热流传感器3上的功率N计算羽绒纤维集合体的散热量Q₂，再由Q₁、Q₂计算出羽绒纤维集合体的保温率，热阻和克罗值可以通过与保温率的关系计算得出。由此测得的羽绒纤维集合体的保温率M与其体积密度ρ的关系曲线，如附图4所示。

Claims (8)

1.一种絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：

包括隔热保护座(1)，所述隔热保护座(1)上部设有两段式的凹槽，所述凹槽下层从下而上依次设有发热板(2)、热流传感器(3)、医用硅胶层(4)，所述医用硅胶层(4)的平面尺寸与所述凹槽下层的平面尺寸相同，其上部设有第一温度传感器(5)；

所述凹槽上层与试样筒(7)紧固配合，所述试样筒(7)的内侧面与推筒(8)的外侧面滑动配合，所述推筒(8)上端开放，下端设有网眼隔层，所述网眼隔层上方固定设置第二温度传感器(9)，所述推筒(8)外壁固定设置筒箍(12)，所述筒箍(12)设有竖直通孔，所述竖直通孔内套入螺杆(10)，并通过一对高度调节螺母(11)与螺杆(10)固定连接，所述螺杆(10)与所述隔热保护座(1)上端面固定连接，调节所述一对高度调节螺母(11)，推筒(8)在试样筒(7)内上下移动；

所述加热板(2)，热流传感器(3)，第一、二温度传感器(5、9)与外部的控制电路连接，并通过信号采集装置与计算机相连进行数据处理；

所述发热板(2)由螺旋排列的镍铬电阻丝，均匀黏附在铝板上所构成。

2.如权利要求1所述的絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：所述加热板(2)、热流传感器(3)的平面尺寸均与所述凹槽下层的平面尺寸相同。

3.如权利要求1所述的絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：所述两段式的凹槽呈圆柱形，所述试样筒(7)、推筒(8)均呈 圆柱形。

4.如权利要求1所述的絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：隔热保护座(1)底部及四周均以内衬聚氨酯泡沫塑料的有机玻璃外壳作隔热保护层。

5.如权利要求1所述的絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：所述热流传感器(3)为热阻式热流传感器。

6.如权利要求1所述的絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：所述第一温度传感器(5)采用薄片状PN结温度传感器。

7.如权利要求1所述的絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：试样筒(7)、推筒(8)为透明、绝热高聚物，试样筒(7)外壁上刻有刻度。

8.如权利要求1所述的絮填纤维集合体热传递性能的测量装置，其特征在于：所述第二温度传感器(9)采用PN结温度传感器。