CN102854056A - 制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其包括：置于万能材料试验机内底座上的真空保温桶；装于保温桶内的内装温控器的试样腔；将试样腔罩于其中且位于保温桶内的防热辐射桶；内装氦气并与试样腔连通的外置储气袋；待测试样通过测量夹具与力学支撑架刚性相连并上下移动；试验机具有力学和位移传感器并为待测试样提供力学动力源；力学支撑架将待测试样的力学信号和位移信号传递给力学传感器和位移传感器；还包括置于保温桶内的制冷机，其冷头通过桥联接与试样腔接触，为试样腔提供冷量。本发明以制冷机做冷源，无需消耗液氦或液氮，可实现4.2～300K温区内任意温度点的材料力学性测试，且温控准确，结构简单、操作简单、效率高。

Description

制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置

技术领域

本发明涉及材料低温力学性能测试装置，尤其涉及一种适用于低温环境（4.2K～300K）下的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置。

背景技术

随着我国氢能源、核聚变能、航空航天、应用超导、气体工业以及一些大科学工程等领域的发展，涉及到低温工程的项目越来越多。在工业和科研领域对低温材料的需求越来越大，对低温材料的性能数据要求越来越全面。材料在低温环境下工作，其低温物理性能通常不同于常温性能。其中，材料力学性能是工程中材料或工件的一个重要性能指标。测试材料在低温下的力学性能，对材料低温性能研究和优化改性具有重要的意义，对低温构件的设计和安全使用也至关重要。而要实现最低温度到4.2K的力学性能测试，必须具有可到4.2K温度的冷源。目前国内材料低温力学性能测试装置均采用低温液体（液氮77K或液氦4.2K）作为冷源；工作时将低温液体容器中的低温液体（液氮77K或液氦4.2K）输入到真空夹层杜瓦中，低温液体将低温力学支撑架和待测样品冷却，再通过温控器和低温液体蒸发器配合使用控制低温力学支撑架和待测样品的温度。随后低温液体变成气体从出气口中排出。因此，该测试装置在工作中会消耗大量的液氮或液氦；每次进行77K以下温区材料力学性能测试都得消耗大量的液氦，如，进行一次4.2K温度环境拉伸性能测试需要消耗20升液氦，而4.2K压缩、弯曲性能测试则因夹具复杂而消耗的液氦为30升以上。氦气是地球上宝贵的不可再生资源，目前全球氦气量分布约400亿立方米，其中美国占75%以上，阿尔及利亚占12%，俄罗斯约6%。全球氦气的消耗量为每年1.65亿立方米，且以10%的增长率迅速增长，其中中国每年消耗量占全球的6%，消耗增长率高达20%。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，难以提取，严重依赖进口。但是，自2007年由于美国核定氦气为战略物资而限制粗氦产量，实行配给制，削减用户使用量，同时基于战略考虑，阿尔及利亚已关闭氦气开采站，美国也即将关闭一个。这导致全球最大的氦气生产及供应商普莱克斯和BOC公司将氦气价格上调一倍，使液氦的价格由原来60～80元/每升，涨到目前200元/每升以上，甚至有些医院的核磁成像仪临时需用液氦的价格上涨到近300元/每升，并且氦资源进口受到越来越严格的控制。例如，2008年上半年，氦气断供，极大地影响我国低温研究工作的开展。在可以预计，未来氦气进口会受到更严格的控制，届时我国大量低温研究工作将受液氦供应不足的限制。

目前的材料低温力学性能测试装置的缺陷在于严重依赖液氮或液氦资源、成本高、操作复杂。因此，开发一种以制冷机作为冷源，无需消耗液氮或液氦的材料低温力学测试设备具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，以克服现有材料低温力学性能测试装置的严重依赖液氮或液氦资源、成本高、操作复杂等缺陷。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其包括：

一置于万能材料试验机内力学支撑架的正下方底座上的真空保温桶；

一装于所述真空保温桶之内的内部装有温控器的试样腔；

一将所述试样腔罩于其中，且位于所述真空保温桶之内的防热辐射桶；

所述真空保温桶用于密封制冷机的冷头、防热辐射筒和试样腔使之与外界绝热；

一内装氦气的外置储气袋；所述外置储气袋通过输气管与所述试样腔相连通，以用于给试样腔输送和回收气体；

待测试样通过夹持待测试样的测量夹具与万能材料试验机的力学支撑架刚性相连并上下移动，用于传递来自万能材料试验机的作用力至待测试样；

所述万能材料试验机具有力学传感器和位移传感器，并为待测试样提供力学动力源；

所述力学支撑架将待测试样的力学信号和位移信号传递给万能材料试验机的力学传感器和位移传感器；特点在于，还包括：

一制冷机；所述制冷机冷头置于所述真空保温桶之内，通过桥联接与所述试样腔相接触，为试样腔提供冷量。

所述制冷机的一级冷头与防热辐射筒通过热桥连接，并为之提供冷量；制冷机的二级冷头与试样腔通过热桥连接，并为之提供冷量。

所述夹持待测试样的测量夹具能安装静态拉伸、静态压缩、静态弯曲、静态剪切、拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学的待测试样。

所述温控器由外部计算机控制。所述温控器为环状温控器或棒状温控器。

所述的制冷机为单台制冷机或多台并联的制冷机组。

所述的制冷机为G-M制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机或其他小型低温制冷机。

所述的万能材料试验机为电子万能材料试验机或液压伺服材料力学试验机。

与现有技术相比，本发明的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置的优点在于：以制冷机作为冷源，试样腔中的氦气只做为专热介质，降温时，会自动从储气袋中流到试样腔内，升温时会自动从试样腔回流到储气袋中，几乎不损失氦气；所以不需要消耗液氮、液氦和其它低温液体，就可以进行最低温度达到4.2K的材料力学性能数据测试，而且通过制冷机与温控器配合使用能够实现4.2K～300K温区内任意温度点的材料力学性能数据测试，且温控准确，结构简单、可靠性高、操作方便、效率高。

附图说明

图1是本发明（实施例）的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置处于测试状态的结构示意图；

图2是本发明（实施例）的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置处于未测试时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细描述本发明。

图1是本发明（实施例）的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置处于测试状态的结构示意图；图2是本发明（实施例）的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置处于未测试时的结构示意图；由图可知，本发明提供的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其包括：

一置于万能材料试验机1内力学支撑架2的正下方底座上的真空保温桶5；

一装于所述真空保温桶5之内的内部装有温控器8的试样腔7；所述温控器8为环状温控器或棒状温控器。

一将所述试样腔7罩于其中，且位于所述真空保温桶5之内的防热辐射桶6；

所述真空保温桶5用于密封制冷机4的冷头、防热辐射筒6和试样腔7使之与外界绝热；

一内装氦气的外置储气袋10；所述外置储气袋10通过输气管（3）与所述试样腔7相连通，以用于给试样腔7输送和回收气体；

待测试样9通过夹持待测试样9的夹具与万能材料试验机1的力学支撑架2刚性相连并上下移动，用于传递来自万能材料试验机1的作用力至待测试样9；

所述万能材料试验机1具有力学传感器和位移传感器，并为待测试样提供力学动力源；

所述力学支撑架2将待测试样9的力学信号和位移信号传递给万能材料试验机1的力学传感器和位移传感器；其特征在于，还包括：

一制冷机4；所述制冷机4冷头置于所述真空保温桶5之内，通过桥联接与所述试样腔7相接触，为试样腔7提供冷量。

本发明所涉及的几个主要部件对于本领域普通技术人员熟知的***或元件（例如真空保温桶、输气管），在此将不作说明。

万能材料试验机1为待测试样9提供力学动力源（即加载力），万能材料试验机1包括力学传感器和位移传感器；力学传感器用以测量加载力大小，位移传感器用以测量待测试样9的形变位移；通常，该万能材料试验机1包括可移动的横梁部分或作动器部分，以及不可移动的底座部分；低温力学支撑架2与万能材料试验机1的横梁部分刚性相连，并且随万能材料试验机1的横梁部分而上下移动，其作用是支撑待测试样9，并传递试样测试过程的作用力，将作用力从室温传递到低温环境中，作用于待测试样9上；具体地，低温力学支撑架2将万能材料试验机1的力学动力源传递给待测试样9，同时将待测试样9的力学信号和位移信号分别传递给万能材料试验机1上的力学传感器和位移传感器；待测试样9装在低温力学支撑架2的测量夹具中，低温力学支撑架2所带的可以是不同的测量夹具，以安装例如静态拉伸、静态压缩、静态弯曲、静态剪切、拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学（Kic、Jic）测试样品；试样腔7嵌入在真空保温桶5中，使真空保温桶5形成一个密闭的真空环境，制冷机4的低温冷头***在此真空环境中，制冷机4的低温一级冷头与防热辐射筒6通过热桥联接，将冷量传递给防热辐射筒6，制冷机4的低温二级冷头与试样腔7通过热桥联接，将冷量传递给试样腔7；真空保温筒5设置在低温力学支撑架2下方，当低温力学支撑架2向下移动准备测试时，低温力学支撑架2的法兰可与试样腔7形成密封，从而为低温力学支撑架2、温控器8、待测试样9提供密封的传热环境。温控器8用于控制样品周围的环境温度，在本实施例中，采用设置在试样腔7周围的环状温控器。在其他实施例中，也可采用其他形状的温控器，例如棒状温控器等。优选地，温控器8由外部计算机控制，其在监控温度的同时可将采集到的温度信息反馈给外部计算机，操作人员可通过外部计算机实现对样品周围的环境温度的实时监控。储气袋10用于存储氦气，其设置在万能材料试验机1外部。输气管3用于连通储气袋10和试样腔7，用于给试样腔7输送气体和回收气体至储气袋10。

以下是根据本发明上述实施例的制冷机做冷源的材料力学性能测试装置的操作流程：

首先将待测试样9安装在低温力学支撑架2上，将万能材料试验机1横梁连同低温力学支撑架2升起，将带有制冷机4和试样腔7的真空保温桶5放置于低温力学支撑架2下方（如图2），将万能材料试验机1横梁连同低温力学支撑架2降落，使低温力学支撑架2，处于试样腔7中（如图1），可用螺栓将试样腔7与低温力学支撑架2固定，使低温力学支撑架2下面部分密封于试样腔7中，将输气管3一端连接储气袋10，在降温时，通过输气管3将储气袋10中的气体输送至试样腔7中，在降温时，通过输气管3将试样腔7中的气体输送至储气袋10。开启制冷机4，将冷量传递至试样腔7，再通过试样腔7中的气体将冷量传递至低温力学支撑架2和待测试样9上。通过计算机控制温控器8，控制样品及样品周围的环境温度，当达到预定温度并稳定后，开启万能材料试验机1，进行力学性能测试。

由此可见，本发明的制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置以万能材料试验机为基础，利用制冷机作冷源与温控器配合，实现低温环境（4.2～300K）下材料力学性能数据测量。因此，本发明主要用于在低温（4.2～300K）环境下对待测试样（材料试样或工件）进行力学性能测量，与传统的力学性能测量装置相比，本发明的制冷机做冷源的材料力学性能测试装置具有，不需要消耗液氦或液氮，可测量4.2～300K温区内任意温度环境的材料试样或工件力学性能的特点，并且温控准确，结构简单、可靠性高、操作简单、效率高。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解，可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (8)

1.一种以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其包括：

一置于万能材料试验机内力学支撑架的正下方底座上的真空保温桶；

一装于所述真空保温桶之内的内部装有温控器的试样腔；

一将所述试样腔罩于其中，且位于所述真空保温桶之内的防热辐射桶；

所述真空保温桶用于密封制冷机的冷头、防热辐射筒和试样腔使之与外界绝热；

一内装氦气的外置储气袋；所述外置储气袋通过输气管与所述试样腔相连通，以用于给试样腔输送和回收氦气；

待测试样通过夹持待测试样的测量夹具与万能材料试验机的力学支撑架刚性相连并上下移动，用于传递来自万能材料试验机的作用力至待测试样；

所述万能材料试验机具有力学传感器和位移传感器，并为待测试样提供力学动力源；

所述力学支撑架将待测试样的力学信号和位移信号传递给万能材料试验机的力学传感器和位移传感器；其特征在于，还包括：

一制冷机；所述制冷机冷头置于所述真空保温桶之内，通过桥联接与所述试样腔7相接触，为试样腔提供冷量。

2.按权利要求1所述的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其特征在于，所述制冷机的一级冷头与防热辐射筒通过热桥连接，并为之提供冷量；制冷机的二级冷头与试样腔通过热桥连接，并为之提供冷量。

3.按权利要求1所述的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其特征在于，所述夹持待测试样的测量夹具能安装静态拉伸、静态压缩、静态弯曲、静态剪切、拉压疲劳、拉伸疲劳、压缩疲劳、弯曲疲劳或断裂力学的待测试样。

4.按权利要求1所述的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其特征在于，所述温控器由外部计算机控制。

5.按权利要求1所述的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其特征在于，所述的制冷机为单台制冷机或多台并联的制冷机组。

6.按权利要求1或5所述的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其特征在于，所述的制冷机为G-M制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机或其他小型低温制冷机。

7.按权利要求1所述的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其特征在于，所述的万能材料试验机为电子万能材料试验机或液压伺服材料力学试验机。

8.按权利要求1或4所述的以制冷机做冷源的材料低温力学性能测试装置，其特征在于，所述温控器为环状温控器或棒状温控器。

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