專利名稱：以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，尤其涉及一種適用于低溫環(huán)境 (4. 2k 300K)下的制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置。
背景技術(shù)：
隨著我國氫能源、核聚變能、航空航天、應(yīng)用超導(dǎo)、氣體工業(yè)以及一些大科學(xué)工程 等領(lǐng)域的發(fā)展，涉及到低溫工程的項目越來越多。在工業(yè)和科研領(lǐng)域?qū)Φ蜏夭牧系男枨笤?來越大，對低溫材料的性能數(shù)據(jù)要求越來越全面。材料在低溫環(huán)境下工作，其低溫物理性能 通常不同于常溫性能。其中，材料熱膨脹系數(shù)是工程中材料或工件的一個重要性能指標(biāo)。測 試材料在低溫下的熱膨脹系數(shù)，對低溫設(shè)備和器件的設(shè)計具有重要的意義，對低溫構(gòu)件的 安全使用也至關(guān)重要。
而要實現(xiàn)最低溫度到4. 2K的熱膨脹系數(shù)測試，必須具有可到4. 2K溫度的冷源。目 前材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置均采用低溫液體(液氮77K或液氦4. 2K)作為冷源；工作時 將低溫液體容器中的低溫液體(液氮77K或液氦4. 2K)輸入到真空夾層杜瓦中，低溫液體將 低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試支撐架和待測樣品冷卻，再通過溫控器和低溫液體蒸發(fā)器配合使用控 制低溫支撐架和待測樣品的溫度。隨后低溫液體變成氣體從出氣口中排出。該測試裝置在 工作中會消耗大量的液氮或液氦；每次進(jìn)行77K以下溫區(qū)材料熱膨脹系數(shù)測試都得消耗大 量的液氦，例如，進(jìn)行一次4. 2K溫度熱膨脹系數(shù)測試需要消耗20升液氦。
氦氣是地球上寶貴的不可再生資源，目前全球氦氣量分布約400億立方米，其中 美國占75%以上，阿爾及利亞占12%，俄羅斯約6%。全球氦氣的消耗量為每年1. 65億立方 米，且以10%的增長率迅速增長，其中中國每年消耗量占全球的6%，消耗增長率高達(dá)20%。我 國氦氣資源相當(dāng)貧乏，含量很低，難以提取，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。但是，自2007年由于美國核定 氦氣為戰(zhàn)略物資而限制粗氦產(chǎn)量，實行配給制，削減用戶使用量。這導(dǎo)致全球最大的氦氣生 產(chǎn)及供應(yīng)商普萊克斯和BOC公司將氦氣價格上調(diào)一倍，使液氦的價格由原來60 80元/ 每升，漲到目前200元/每升以上，甚至有些醫(yī)院的核磁成像儀臨時需用液氦的價格上漲到 近300元/每升，并且氦資源進(jìn)口受到越來越嚴(yán)格的控制。例如，2008年上半年，氦氣斷供， 極大地影響我國低溫研究工作的開展。在可以預(yù)計，未來氦氣進(jìn)口會受到更嚴(yán)格的控制，屆 時我國大量低溫研究工作將受液氦供應(yīng)不足的限制。
目前的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置的缺陷在于嚴(yán)重依賴液氮或液氦資源、成本 高、操作復(fù)雜。因此，開發(fā)一種以制冷機作為冷源，無需消耗液氮或液氦的材料低溫?zé)崤蛎?系數(shù)測試設(shè)備具有非常重要的實際應(yīng)用價值。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，以 克服現(xiàn)有材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置的嚴(yán)重依賴液氮或液氦資源、成本高、操作復(fù)雜等 缺陷。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提供的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其包括
一安裝于支撐架的水平支板2上的高分辨率LVDT位移傳感器I ;
一上端安裝于高分辨率LVDT位移傳感器I下端面的帶底板的筒型石英支架(4)， 所述該筒型支架4下部側(cè)壁上開有側(cè)壁孔；
一位于所述筒型石英支架4軸向中心的頂桿41，所述頂桿41上端與所述高分辨率 LVDT位移傳感器I下端面相連；
一置于高分辨率LVDT位移傳感器I及水平支板2正下方的真空絕熱桶9 ；
一中下部安裝于所述真空絕熱桶9之內(nèi)的內(nèi)部裝有溫控器7的試樣腔5 ;所述試 樣腔5將所述石英支架4罩于其內(nèi)；所述溫控器7位于試樣腔5的下部，所述試樣腔5為上 部試樣腔和下部試樣腔連接而成；
一將所述試樣腔5中下部罩于其中，且位于所述真空絕熱桶9之內(nèi)的防熱輻射屏 10 ；
一內(nèi)裝氦氣的外置儲氣袋11 ;所述外置儲氣袋11通過輸氣管8與所述試樣腔5相 連通，以用于試樣腔5的氦氣輸送和氦氣回收；
其特征在于，還包括
一制冷機3 ;所述制冷機3冷頭置于所述真空絕熱桶9之內(nèi)，通過軟聯(lián)接與所述試 樣腔5相接觸，以提供試樣腔5的冷量。
所述制冷機3的一級冷頭與防熱輻射屏10通過金屬導(dǎo)熱材料連接，并為之提供冷 量；制冷機3的二級冷頭與試樣腔5的通過金屬導(dǎo)熱材料連接，并為之提供冷量。所述金屬 導(dǎo)熱材料為銅或銀。
所述溫控器7由外部計算機控制溫度和溫度數(shù)據(jù)采集。
所述高分辨率LVDT位移傳感器I數(shù)據(jù)由外部計算機采集。
所述的制冷機3為單臺制冷機或多臺并聯(lián)的制冷機組，制冷機正立放置或倒立放置。
所述的制冷機3為G-M制冷機、脈沖管制冷機、斯特林制冷機或其它小型低溫制冷 機。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置的優(yōu)點 在于以制冷機作為冷源，試樣腔中的氦氣只做為專熱介質(zhì)，降溫時，會自動從儲氣袋中流 到試樣腔內(nèi)，升溫時會自動從試樣腔回流到儲氣袋中，幾乎不損失氦氣；所以不需要消耗液 氮、液氦和其它低溫液體，就可以進(jìn)行最低溫度達(dá)到4. 2K的材料熱膨脹系數(shù)測試，而且通 過制冷機與溫控器配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)4. 2 300K溫區(qū)內(nèi)任意溫度點的材料熱膨脹系數(shù)測 試，且溫控準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作方便、效率高。


圖1是本發(fā)明(實施例)的制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置處于測試 狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明(實施例)的制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置處于未測 試時的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明一實施例的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置處于 測試狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明該實施例的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù) 測試裝置處于未測試時的結(jié)構(gòu)示意圖；由圖可知，本發(fā)明提供的以制冷機做冷源的材料低 溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其包括
一安裝于支撐架的水平支板2上的高分辨率LVDT位移傳感器I ;
一上端安裝于高分辨率LVDT位移傳感器I下端面的帶底板的筒型石英支架(4)， 所述該筒型支架4下部側(cè)壁上開有側(cè)壁孔；
一位于所述筒型石英支架4軸向中心的頂桿41，所述頂桿41上端與所述高分辨率 LVDT位移傳感器I下端面相連；
一置于高分辨率LVDT位移傳感器I及水平支板2正下方的真空絕熱桶9 ；
一中下部安裝于所述真空絕熱桶9之內(nèi)的內(nèi)部裝有溫控器7的試樣腔5 ;所述試 樣腔5將所述石英支架4罩于其內(nèi)；所述溫控器7位于試樣腔5的下部，所述試樣腔5為上 部試樣腔和下部試樣腔連接而成；
一將所述試樣腔5中下部罩于其中，且位于所述真空絕熱桶9之內(nèi)的防熱輻射屏 10 ；
一內(nèi)裝氦氣的外置儲氣袋11 ;所述外置儲氣袋11通過輸氣管8與所述試樣腔5相 連通，以用于試樣腔5的氦氣輸送和氦氣回收；
其特征在于，還包括
一制冷機3 ;所述制冷機3冷頭置于所述真空絕熱桶9之內(nèi)，通過軟聯(lián)接與所述試 樣腔5相接觸，以提供試樣腔5的冷量。
測試時，通過石英支架4下部側(cè)壁上的側(cè)壁孔將待測試樣6安裝在石英支架4內(nèi) 的頂桿41與石英支架4的底板之間，待測試樣6因溫度變化所發(fā)生的長度變化，引起石英 支架4和頂桿41之間出現(xiàn)相對位移，相對位移量傳遞到與石英支架4和頂桿41耦合的高 分辨率LVDT位移傳感器I上；高分辨率LVDT位移傳感器I測量石英支架4和頂桿41之間 的相對位移；使用電腦采集高分辨率LVDT位移傳感器I檢測到的待測試樣6長度的變化 量，同時采集待測試樣6的溫度數(shù)據(jù)；將溫度數(shù)據(jù)與待測試樣6長度的變化量對應(yīng)，即得到 測試樣6的在檢測溫度點的熱膨脹性能。
試樣腔5嵌入在真空絕熱桶9中，使真空絕熱桶9形成一個密閉的真空環(huán)境，制冷 機3的低溫冷頭插入在此真空環(huán)境中，制冷機3的低溫一級冷頭與防熱輻射屏10通過金屬 導(dǎo)熱材料(銅或銀)聯(lián)接，將冷量傳遞給防熱輻射屏10，制冷機3的低溫二級冷頭與試樣腔 5通過金屬導(dǎo)熱材料(銅或銀)聯(lián)接，將冷量傳遞給試樣腔5 ;真空絕熱桶9設(shè)置在支撐架2 和石英支架和頂桿4下方，當(dāng)支撐架2和石英支架和頂桿4移動準(zhǔn)備測試時，支撐架2的法 蘭可與試樣腔5形成密封，從而為石英支架和頂桿4、溫控器7、待測試樣6提供密封的傳熱 環(huán)境。溫控器7用于控制石英支架和頂桿4和待測試樣6周圍的環(huán)境溫度，在本實施例中， 采用設(shè)置在試樣腔5周圍的環(huán)狀溫控器。在其他實施例中，也可采用其他形狀的溫控器，例 如棒狀溫控器等。優(yōu)選地，溫控器7由外部計算機控制，其在監(jiān)控溫度的同時可將采集到的溫度信息反饋給外部計算機，操作人員可通過外部計算機實現(xiàn)對樣品周圍的環(huán)境溫度的實 時監(jiān)控。儲氣袋11用于存儲氦氣，其設(shè)置在真空絕熱桶9外部。輸氣管8用于連通儲氣袋 11和試樣腔5，用于給試樣腔5輸送氣體和回收氣體至儲氣袋11。
以下是根據(jù)本發(fā)明上述實施例的制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置 的操作流程
首先支撐架的水平支板2的高分辨率LVDT位移傳感器1、石英支架4和頂桿41升 起，通過石英支架4下部側(cè)壁上的側(cè)壁孔將待測試樣6安裝在石英支架4內(nèi)的頂桿41下端 與石英支架4底板之間；將帶有制冷機3和試樣腔5的真空絕熱桶9放置于高分辨率LVDT 位移傳感器1、石英支架4和頂桿41下方(如圖2)，將支撐架的水平支板2上的高分辨率 LVDT位移傳感器1、安裝好測試樣6的石英支架4和頂桿41降落，使安裝好待測試樣6的 石英支架和頂桿4處于試樣腔5中(如圖1 )，可用快接卡箍將試樣腔5與支撐架的水平支板 2密封連接，使安裝好待測試樣6的石英支架4和頂桿41下面部分密封于試樣腔5中，將試 樣腔5抽真空，將輸氣管8 一端連接儲氣袋11 ;開啟制冷機3降溫，降溫時通過輸氣管8將 儲氣袋11中的氣體輸送至試樣腔5中，在降溫時，通過輸氣管8將試樣腔5中的氣體輸送 至儲氣袋11。制冷機3將冷量傳遞至試樣腔5，再通過試樣腔5中的氣體將冷量傳遞至石 英支架4、頂桿41和待測試樣6上。通過計算機控制溫控器7，控制待測試樣及待測試樣周 圍的環(huán)境溫度；使用電腦采集高分辨率LVDT位移傳感器I檢測到的測試樣6長度變化量， 同時采集溫度傳感器檢測到測試樣6的溫度數(shù)據(jù)。將溫度數(shù)據(jù)與待測試樣6長度變化量對 應(yīng)，即得到測試樣6的在檢測溫度點的熱膨脹性能。
由此可見，本發(fā)明的制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置以高分辨率 LVDT位移傳感器為基礎(chǔ)，利用制冷機作冷源與溫控器配合，實現(xiàn)低溫環(huán)境(4. 2K 300K)下 材料熱膨脹系數(shù)測量。因此，本發(fā)明主要用于在低溫(4. 2K 300K)環(huán)境下對待測試樣(材 料試樣或工件)進(jìn)行熱膨脹系數(shù)測量，與傳統(tǒng)的熱膨脹系數(shù)測量裝置相比，本發(fā)明的制冷機 做冷源的材料熱膨脹系數(shù)測量裝置具有不需要消耗液氦或液氮，可測量4.2 300K溫 區(qū)內(nèi)任意溫度環(huán)境的材料試樣或工件熱膨脹系數(shù)的特點，并且溫控準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性 高、操作簡單、效率高。
盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，應(yīng)該理解，可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行 修改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其包括一安裝于支撐架的水平支板(2)上的高分辨率LVDT位移傳感器(I)；一上端安裝于高分辨率LVDT位移傳感器(I)下端面的帶底板的筒型石英支架(4)，所述該筒型支架(4)下部側(cè)壁上開有側(cè)壁孔；一位于所述筒型石英支架(4)軸向中心的頂桿(41 )，所述頂桿(41)上端與所述高分辨率LVDT位移傳感器(I)下端面相連；一置于高分辨率LVDT位移傳感器(I)及水平支板(2)正下方的真空絕熱桶(9)；一中下部安裝于所述真空絕熱桶(9 )之內(nèi)的內(nèi)部裝有溫控器(7 )的試樣腔(5 );所述試樣腔(5)將所述石英支架(4)罩于其內(nèi)；所述溫控器(7)位于試樣腔(5)的下部，所述試樣腔(5)為上部試樣腔和下部試樣腔連接而成；一將所述試樣腔(5)中下部罩于其中，且位于所述真空絕熱桶(9)之內(nèi)的防熱輻射屏(10)；一內(nèi)裝氦氣的外置儲氣袋(11);所述外置儲氣袋(11)通過輸氣管8與所述試樣腔(5) 相連通，以用于試樣腔(5)的氦氣輸送和氦氣回收；其特征在于，還包括制冷機(3);所述制冷機(3)冷頭置于所述真空絕熱桶(9)之內(nèi)，通過軟聯(lián)接與所述試樣腔(5)相接觸，以為試樣腔(5)提供冷量。
2.按權(quán)利要求1所述的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其特征在于，所述制冷機(3)的一級冷頭與防熱輻射屏(10)通過金屬導(dǎo)熱材料連接，并為之提供冷量；制冷機(3)的二級冷頭與試樣腔(5)的通過金屬導(dǎo)熱材料連接，并為之提供冷量。所述金屬導(dǎo)熱材料為銅或銀。
3.按權(quán)利要求1所述的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其特征在于，所述溫控器(7)由外部計算機控制溫度和溫度數(shù)據(jù)采集。
4.按權(quán)利要求1所述的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其特征在于，所述高分辨率LVDT位移傳感器(I)數(shù)據(jù)由外部計算機采集。
5.按權(quán)利要求1所述的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其特征在于，所述的制冷機(3 )為單臺制冷機或多臺并聯(lián)的制冷機組，制冷機正立放置或倒立放置。
6.按權(quán)利要求1或5所述的以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其特征在于，所述的制冷機(3)為G-M制冷機、脈沖管制冷機或斯特林制冷機。
全文摘要
一種以制冷機做冷源的材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測試裝置，其包括裝于水平支板上的高分辨率LVDT位移傳感器；一端安裝在位移傳感器下端面的帶底板的筒型石英支架和頂桿，筒型石英支架下部側(cè)壁上開有側(cè)壁孔，頂桿位于石英支架的軸向中心；置于位移傳感器及水平支板正下方的真空絕熱桶；中下部裝于真空絕熱桶內(nèi)的內(nèi)裝溫控器的試樣腔；試樣腔將石英支架罩于其內(nèi)；位于真空絕熱桶內(nèi)的防熱輻射屏；內(nèi)裝氦氣的外置儲氣袋；儲氣袋與試樣腔相連；制冷機冷頭置于真空絕熱桶內(nèi)，通過軟聯(lián)接與試樣腔接觸；本測試裝置無需消耗液氦和液氮，可實現(xiàn)4.2K-300K溫區(qū)內(nèi)任意溫度點的材料熱膨脹系數(shù)測試，且溫控準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單、效率高。
文檔編號G01N25/16GK103063699SQ20121054119
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者黃榮進(jìn), 李來風(fēng), 劉輝明 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所