真空绝热板负压膨胀与吸盘响应关系探讨

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论文字数:43666 论文编号:sb2022030913472244733 日期:2022-03-18 来源:硕博论文网
本文是一篇电气自动化论文,笔者认为原型机顺利完成改造后,新型台式 VIP 内压检测仪(NP500)的使用调试、内压检测均是 在南京凤源新材料科技有限公司进行,该检测仪可以对气相二氧化硅类硬质芯材实现内压的检测,但还要对玻璃纤维类软质芯材实现内压检测必须使得检测仪的吸盘是小口径,内径低于 15mm。另外,进行 VIP 板膜材负压膨胀与检测仪吸盘响应关系研究过程中,整个检测系统还存在着一些不足,需要进一步去改进。

第一章 绪论

1.1 VIP 概述
真空绝热板(Vacuum Insulation Panel)简称 VIP,是一种有着非常低的热传导系数的超级绝热保温材料,热传导系数可达到 1~3mW/(mK)[1]。VIP 的绝热是通过最大限度地提高和维持板内真空度,防止气体热传导来进行保温。
热的传导方式有三种,包括辐射、传导和对流[2]。VIP 内这三种热传导方式均存在,选取较低导热系数的芯材,例如玻璃纤维、气相二氧化硅粉,然后外部包裹高阻隔膜材,最后通过抽气封装在 VIP 内制造绝对的真空环境,这样可以在很大程度上阻止热量的传导和对流。另外,膜材的抽气封装需要严格规范,以尽可能降低热桥效应,提高 VIP 使用质量。VIP 是近几年来开发研究出的新型高效节能保温材料,符合能源节约、绿色环境保护的时代倡导和要求,内部真空环境的优越性使得 VIP 整体的导热系数远低于其他传统材料,比如聚氨酯 PU、模塑聚苯板 EPS 和挤塑聚苯板 XPS 等[3]。真空绝热板 VIP 的主要性能参数与其他传统有机无机保温材料的对比如表 1.1 所示。
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1.2 VIP 检测研究现状
1.2.1 导热系数测试
(一)  大平板热保护法
导热系数 λ 的单位是 W/(m·k),λ 的计算方法是采用 1 米厚度的板材,保证测试过程中热量传输均匀、稳定且板材上下面的温度差是 1K(该定义中 K 可以用℃替代)的前提下,耗时 1 秒,区域面积是 1 平方米,由上至下所传递的总热量值就是导热系数大小  [22]。当前国内外评判 VIP 质量好坏的可以直接在线测试其导热系数 λ,测试设备的原理大多都是采用大平板热保护法来测量[23]。由于设备在制造过程中使用的传感器零件和装配技术的差异,以大平板热保护法原理的 λ 测试设备之间的结果准确度存在差异性,每块样板也需要多次测试以防止误差。如下图 1.5 所示,导热系数 λ 的测试原理。
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国内真空绝热板的研究发展相对于欧洲国家起步较晚,因而没有较为成熟的自主研发的检测设备来测试 VIP 的导热系数值。欧洲国家真空绝热板行业发展较好,比较成熟的检测设备在德国也相对很流行,其中由德国 NETZSCH 公司研发制造生产的热流导热系数仪,用于真空绝热板 VIP 的质量合格检测,型号 HFM436 系列具体设备如图 1.6 所示[25]。
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第二章  VIP 内压测试仪的改造

2.1 测试仪简介及工作原理
2.1.1  仪器简介
新一代 VIP 板内压测试仪是由南京航空航天大学绝热与节能国际实验室研发而成,在裸露原型机的原理基础上进行改造,更换了最主要的几大性能组件部分,装配进一步得到优化,测试效率进一步得到提升,结果精确度由原型机的 12.42%提升至 1.46%。如图 2.1 展示a 造型设计图,b 实物图,成型改造后的测试仪整体长 35cm,宽 45cm,高 50cm,适合在90~120cm 的桌面进行实验操作,造型色彩采用 RAL5013 蓝色、RAL9007 深银色、RAL9006浅银色搭配,从工业设计角度,测试仪造型有着较好的色彩特质,ABS 聚合物塑料、钣金、钢材等材料本身就具有很好的质感,表面人为色彩渲染后,进一步丰富和衬托仪器现代化的品质感和科技感,魅力无穷[46]。
(一)激光测距仪   激光测距仪分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量,而激光回波分析法则适用于远距离的测量[47]。激光测距仪从金属到陶瓷、塑料均可测量,对 VIP 负压状态下膜材受力膨胀凸起那一瞬间的捕捉,采用三角法原理的激光测距仪非常适合。本测试仪最终选择了精度为 0.1μm,量程为22.5~27.5mm 的 LTC 025-4 型号。测试过程中上下金属吸盘压紧了 VIP,激光测距仪探测点到膜材距离在量程范围内,抽气负压直至膜材发生膨胀,若测距仪显示的位移有突变,则单片机系统会发送命令至其他组件,一切停止工作,显示最后的位移数据在面板屏幕上。
(二)电阻真空计   内压测试仪采用型号为 CVM-201 Super Bee 增强型皮拉尼真空计,量程 0.01Pa~133KPa;采用了 RS485/RS232 的数字接口;9-针 D 型针脚和 15-型高密度 D 型针脚的电子连接器;电阻真空计实时记录着吸盘腔室内的真空度,抽气负压过程中,电阻率随而温度改变,又导致电流、电压的改变,最后根据真空计内电压变化量转换成气体压强,测得此刻的真空度[48]。电阻真空计与单片机主板串口连接,VIP 测试时抽气吸盘腔室内压强下降,每一瞬间的压强值,均会在面板屏幕显示,当达到板内真实真空度(即临界压强)时,膜材发生突然膨胀位移,测距仪探测到此突变点,单片机系统停止其他组件工作,最终的压强值也会显示在面板屏幕上,即测试 VIP 内真空度。
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2.2 造型设计
2.2.1  造型体系的研究与构建
NAPA 负压膨胀法 VIP 内压测试仪是用于检测以气相二氧化硅、玻璃纤维短切丝等为芯材的 VIP 所开发的创新类产品。在现有模块及满足人机工程学的基础上对各个功能组件进行合理布局,为改造专业设备塑造高品质、专业化的产品形象。此次的设计要求是:基于现有内部组件及其结构关系,利用现有的结构图档设计产品的造型;造型的感官诉求为三个指标,分别是亲和、品质、科技;满足既定的生产工艺和相关的国家标准,包括 RAL 工业标准色卡等对比。
测试仪原型机的造型设计工作体系的构建主要经历六个过程,如图 2.6 所示:A  设计分析与研究,对测试仪使用的环境、使用方式等进行分析,目标市场认知与分析以及对潮流趋势的研究;B  设计探索与创意,在第一步的基础上继续寻找问题和设计的切入点,确定不同的设计方向,概念和结构方式的构想,概念的色彩视觉化;C  设计深入与评估,展现色彩、材料的效果,细节处理,三维及结构可行性探讨;D  设计细化与完善,设计与结构验证,确认工艺等其他涉及生产的问题,进入三维建模及渲染,最终设计数据文件;E  与工程衔接,结构的布局规划,确定最终的设计尺寸图。
其中,造型设计环节中最重要的是对测试仪整体性与局部性的把握设计与分析,在此基础上进行探索与创意的构想、实施。
对现存问题的把握,首先原型机整体造型不强,该机械产品的各个功能部件在外观上相互独立,没有形成一个整体的视觉语言,测试仪的研发还是采用着车间工作台的设计模式,只关注仪器在性能结果方面的提升,而忽视了在实验室场合使用下仪器的美学规划;其次作为产品来说,原型机也缺少自主研发的标识标牌 LOGO,识别性不高,没有特色。
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第三章  VIP 负压膨胀与吸盘系统的响应 .............................. 35
3.1  不同口径吸盘的设计与加工 .................................... 35
3.1.1  临时吸盘的设计 ............................... 35
3.1.2  临时吸盘的加工 ....................................... 36
第四章  数据线性拟合 ............................... 49
4.1  数据拟合概述 ........................................ 49
4.1.1  数据拟合理论 ..................................... 49
4.1.2  数据拟合方法 ........................................ 49
第五章  结论与展望 ............................ 57
5.1  本文总结 ............................... 57
5.2  研究展望 ................................. 58

第四章  数据线性拟合

4.1 数据拟合概述
在从认识科学到探索科学,我们都倾向于求解出各个变量之间的一般关系,以此来指导我们的实践。正是由于不断地从量化到质变的追求,才使得科学理论更加透彻清晰。在具体的科学实验中我们会测得多组数据,要探究之间的关系就需要通过一定的数学方法。进行数据的线性拟合就是求解数据之间函数关系的过程[62]。
真空绝热板最重要的参数是导热系数 λ 和内部压强 P,二者数值大小可以直接反映出VIP 绝热性能的好坏。在此之前,国内外很多研究者也对真空绝热板的导热系数 λ 和内部压强 P 两者的数据关系做过很多研究,得出过很多种结论。本实验通过对玻璃纤维短切丝芯材 VIP 以及气硅芯材 VIP 的多组导热系数值测定,同等状态下进行内部压强测定,分别使用的仪器是德国耐驰(HFM 436 Lambda NETZSCH)和改造后的 NAPA 500 新型内压测试仪,两者对应进行数据的数学拟合分析,着重研究 VIP 板导热系数和内部压强数值间存在的函数关系式,为检测提供更多理论依据。
4.1.1  数据拟合理论
在求解函数表达式的过程中,需要找出一条曲线尽可能多的通过实验数据点,不要求通 过每一个数据点。从这个思想出发,需要用到数学中求极限、近似和求导的思想。
对两个变量或者多个变量较充足认识时,可以知道这个函数的模型,即 y=φ(x),这时才用到最小二乘法求解其中的未知数。但现实科研生活中,变量之间的关系往往不确定,函数模型的确定非常困难,这种情况下我们只能先画出数据的散点图,根据图像的大致走势猜想曲线的模型,然后在用最小二乘法来拟合曲线,有时候需要设想几种模型来拟合,在这些猜想中不断优化和对比,最终选出合适的曲线方程[64]。
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第五章  结论与展望

5.1 本文总结
在第一代原型机基础上,结合 VIP 检测技术知识,改变了原型机内部的几大主要组件,由德国莱宝 D8C 双级油封式旋片真空泵替换了原先的普通机械泵,抽气负压过程速率提升,稳定性提升;由新型 Super Bee CVM 201 真空计替换了原先的传统电阻规真空计,收集数据频率从之前的每秒 1 次提升至每秒 10 次;由 Zebra  KR403 热敏 Kiosk 内置式小巧打印机替换了原先的传统外置式打印机,提升了测试打印速率和效果;重新先后进行了外部造型设计、内外部吸盘系统机械设计以及电气自动化设计,简化错综复杂的线路问题,最后装配测试,将新一代的台式 VIP 测试仪改造成型出来。后续对玻璃纤维和气硅类 VIP 进行“内压-位移”曲线测试,又进行了临时吸盘的制造、对玻璃纤维类 VIP 板测试探究、对应测试过程采用DEFORM 软件进行有限元分析、吸盘系统方案进一步优化,最近再对测试的数据,即玻璃纤维和气硅类 VIP 板的内压和导热系数,采用 MATLAB 软件进行数学线性模拟,拟合出两者可能存在的函数关系式等。具体总结结论如下:
1)  改造后的 VIP 内压测试仪呈实验室内台式操作机样,三维造型设计后整个仪器重量不仅减轻了 60Kg,外观还极富科技感和时代感;更换了主要组件后,检测效率进一步提升,由以前的 12s 提升至 5~8s/片,稳定性进一步提升,测试结果精确度由原型机的 12.42%提升至 1.46%,线路问题不再错综复杂出现 Bug,检测时噪音也降低不少,符合实验室的测试环境要求;
2)  根据抽气负压膨胀原理,VIP 板内压检测过程中,吸盘内系统环境不断负压,在差不多等于 VIP 板自身内压值附近膜材就会发生突然地膨胀,膜材的变形在图像中表现为曲线的斜率瞬间变大,形成一个大致的凸起峰,证明检测过程可以顺利实现;
3)  气相二氧化硅  (硬质芯材)VIP 板的内压可以用改造后的测试仪进行检测,无论大口径吸盘或是小口径吸盘的临时试验,在测试曲线中均可以找到凸起峰,膜材瞬间膨胀的一刹那,对应的压强值就是气硅 VIP 板的内压值;
参考文献(略)

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