一種實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，包括動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，動力系統(tǒng)包括冷卻容器、冷卻劑和發(fā)熱裝置，冷卻系統(tǒng)包括氣體導出管、保溫模具和試樣，氣體導出管的一端與冷卻容器連通，另一端設有保溫模具，保溫模具內安裝有試樣，試樣表面上設有熱電偶；試樣夾裝在霍普金森壓桿裝置的入射桿和透射桿之間；所述的控制系統(tǒng)包括電力控制器和溫度控制器，電力控制器與發(fā)熱裝置連接，溫度控制器與熱電偶連接，電力控制器和溫度控制器連接。本實用新型采部件之間組裝簡單、便捷；實現(xiàn)了溫度自動控制，而且冷卻劑得到充分利用，冷卻速度快，工作效率高，無環(huán)境污染，適合各種試驗室和SHPB實驗裝置的應用。
【專利說明】一種實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及沖擊動力學領域，特別涉及一種實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]相對于高溫霍普金森壓桿(SHPB)實驗，人們對低溫霍普金森壓桿實驗的研究較少，如何迅速對試樣進行冷卻并采集到有效的實驗數(shù)據成為亟待解決的問題。進行低溫SHPB實驗碰到的難題主要有三個，一是采取何種制冷方式，二是如何使試樣的冷卻溫度盡可能低(目前普遍性的試樣溫度在_100°C以上，而試樣在_196°C到_100°C以下溫度區(qū)間的動態(tài)力學性能及組織演化往往發(fā)生較大的改變)，三是試樣的溫度如何較為精確地測量。目前，在SHPB實驗中，對試樣的冷卻普遍采用美國SANDIA國家實驗室研制的液氮循環(huán)制冷方式，采用此方法制冷的缺陷是:設備制造加工復雜，冷卻劑利用率低，制冷盒內空氣梯度相差大，對測溫熱電偶的放置要求高。通過改變制冷方式以及測溫方式，國內部分學者初步研制了一些簡易的SHPB低溫冷卻設備。但是，這些設備仍然存在較多缺點。
[0003]


【發(fā)明內容】

[0004]為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種結構簡單、安裝步驟簡單、操作容易、工作效率高的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)能充分利用冷卻劑，最大限度地擴大試樣的冷卻溫度范圍，同時，通過溫度控制器與電力控制器可對試樣溫度進行精確的控制；試樣的冷卻與SHPB沖擊實驗在同一位置進行，數(shù)據的采集與處理更加快捷、精準。
[0005]本實用新型采用的技術方案是:包括動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，所述的動力系統(tǒng)包括冷卻容器、冷卻劑和發(fā)熱裝置，所述的冷卻劑和發(fā)熱裝置置于冷卻容器內；所述的冷卻系統(tǒng)包括氣體導出管、保溫模具和試樣，氣體導出管的一端與冷卻容器連通，另一端設有保溫模具，保溫模具的側壁上設有一通孔，試樣安裝在該通孔中，保溫模具內試樣表面上設有熱電偶；試樣的兩端長出保溫模具，試樣夾裝在霍普金森壓桿裝置的入射桿和透射桿之間；所述的控制系統(tǒng)包括電力控制器和溫度控制器，所述的電力控制器與發(fā)熱裝置連接，溫度控制器與熱電偶連接，電力控制器和溫度控制器連接。
[0006]上述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)中，所述的保溫模具凸模上與保溫模具凹模的連接端設有凸臺及U型通槽，U型通槽的軸線垂直于保溫模具凸模的軸線，U型通槽的底部為半圓形，圓心位于凸臺底面上；對應于保溫模具凸模的凸臺及U型通槽，保溫模具凹模上與保溫模具凸模連接端設有凹槽和垂直于保溫模具凹模軸線的半圓形通槽，半圓形通槽的圓心位于保溫模具凹模的端面上，保溫模具凸模的凸塊嵌裝在保溫模具凹模的凹槽內，保溫模具凸模的U型通槽與保溫模具凹模的半圓形通槽形成兩個保溫模具內腔與外界連通的圓形通孔。
[0007]上述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)中，所述的保溫模具凸模的底面上設有兩凹槽，對應于保溫模具凸模底面上的兩凹槽，保溫模具凹模的底面上也設有兩凹槽，保溫模具凸模和保溫模具凹模相對應的兩組凹槽內分別設有橡皮筋。
[0008]上述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)中，所述的發(fā)熱裝置為陶瓷發(fā)熱
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[0009]上述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)中，氣體導出管通過氣體導出模具與冷卻容器連通，所述的氣體導出模具出口端設有凸臺，凸臺的兩側設有線纜孔；氣體導出模具出口安裝有外絲寶塔出氣嘴，外絲寶塔出氣嘴與氣體導出管的一端連接。
[0010]上述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)中，所述的保溫模具凸模上設有熱電偶孔，熱電偶從熱電偶孔穿出并拉直，通過弓I線與溫度控制器連接。
[0011]上述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)中，所述的冷卻劑為液氮。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型所的有益效果是:
[0013](I)本實用新型中氣體導出模具設計有凸臺，方便氣體導出模具安裝及拆卸，避免了氣體導出模具因熱脹冷縮發(fā)生拆卸的困難。
[0014](II)本實用新型中保溫模具凸模設有凸臺，保溫模具凹模上設有相應的凹槽，保溫模具凸模的凸臺嵌裝在保溫模具凹模的凹槽中，省去了模具支撐件，解決了保溫模具凸模和保溫模具凹模在安裝時的咬合問題。
[0015](III)本實用新型中保溫模具凸模和保溫模具凹模底面上均設有凹槽，以供橡皮筋等彈性繩索將保溫模具凸模和保溫模具凹模拉緊，從而避免了保溫模具凸模和保溫模具凹模連接處縫隙造成的冷卻氣體浪費。
[0016](IV)本實用新型中保溫模具凸模上設有放置熱電偶的熱電偶孔，裝上試樣后，拉緊熱電偶，避免了熱電偶絲與入射桿或透射桿接觸或者自接觸帶來的實驗誤差。
[0017](V)本實用新型中冷卻容器里采用陶瓷發(fā)熱芯作為發(fā)熱裝置，避免了復雜制冷盒設計及加工，采用液氮為冷卻劑，陶瓷發(fā)熱芯使得噴發(fā)出的液氮蒸汽均勻，不存在溫度梯度差的問題。
[0018](VI)本實用新型采用組合式結構，部件之間組裝簡單、便捷；本實用新型實現(xiàn)了溫度自動控制，而且冷卻劑得到充分利用，冷卻速度快，工作效率高，無環(huán)境污染，經濟實惠，適合各種試驗室和SHPB實驗裝置的應用，極易普及推廣，具有廣闊的市場前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為低溫霍普金森壓桿實驗冷卻系統(tǒng)示意圖及冷卻部分結構圖。
[0020]圖2為本實用新型的冷卻系統(tǒng)的連接圖。
[0021]圖3為本實用新型氣體導出模的主視圖。
[0022]圖4為本實用新型氣體導出模的俯視圖。
[0023]圖5為本實用新型的保溫模具凸模的主視圖。
[0024]圖6為圖5中A-A剖視圖。
[0025]圖7為本實用新型的保溫模具凹模的主視圖。
[0026]圖8為圖7中B-B剖視圖。

【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0028]如圖1所示，本實用新型包括動力系統(tǒng)2、冷卻系統(tǒng)3與控制系統(tǒng)1，所述的動力系統(tǒng)2包括冷卻容器21、冷卻劑和發(fā)熱裝置22，所述的冷卻容器21為液氮罐，所述的冷卻劑采用液氮，所述的發(fā)熱裝置22采用陶瓷發(fā)熱芯；冷卻劑和發(fā)熱裝置22置于冷卻容器21內。
[0029]如圖2所示，所述的冷卻系統(tǒng)3包括氣體導出管34、氣體導出模具37、保溫模具31和試樣33，如圖3、4所示，所述的氣體導出模具37出口端設有凸臺371，方便氣體導出模具37安裝及拆卸。凸臺371的兩側設有線纜孔372 ;氣體導出模具37的出口安裝有外絲寶塔出氣嘴36，外絲寶塔出氣嘴36通過直通銅接頭35與氣體導出管34的一端連接。所述的氣體導出管34采用PVC水管，氣體導出模具37安裝在冷卻容器21上，并且與冷卻容器21連通。
[0030]所述的保溫模具31由保溫模具凸模312和保溫模具凹模311連接而成。如圖5_8所示，所述的保溫模具凸模312上與保溫模具凹模311的連接端設有凸臺3121及U型通槽3122，U型通槽3122的軸線垂直于保溫模具凸模312的軸線，U型通槽3122的底部為半圓形，圓心位于凸臺3121的底面上。對應于保溫模具凸模312的凸臺3121及U型通槽3122，保溫模具凹模311上與保溫模具凸模312連接端設有凹槽3111和垂直于保溫模具凹模311的軸線的半圓形通槽3112，半圓形通槽3112的圓心位于保溫模具凹模311的端面上，保溫模具凸模312的凸塊3121嵌裝在保溫模具凹模311的凹槽3111內，保溫模具凸模312的U型通槽3122與保溫模具凹模311的半圓形通槽3112形成一個保溫模具31的內腔與外界連通的圓形通孔。所述的保溫模具凸模312的底面上設有兩凹槽3123，對應于保溫模具凸模312底面上的兩凹槽3123，保溫模具凹模311的底面上也設有兩凹槽3113，保溫模具凸模312和保溫模具凹模311相對應的兩組凹槽內分別設有橡皮筋，橡皮筋將保溫模具凸模312和保溫模具凹模311拉緊，從而避免了保溫模具凸模312和保溫模具凹模311連接縫隙造成的冷卻氣體浪費。所述的保溫模具凸模312上與保溫模具凹模311的連接端，還設有第二 U型通槽3124，保溫模具凸模312的凸塊3121嵌裝在保溫模具凹模311的凹槽3111內后，該第二 U型通槽3124與保溫模具凹模311形成熱電偶孔。
[0031]所述的試樣33安裝在保溫模具凹模311的半圓形通槽3112形成的圓形通孔中，保溫模具31內的試樣33表面上設有熱電偶32，熱電偶32從保溫模具凸模312上熱電偶孔穿出并拉直，從而避免了熱電偶32與入射桿41或透射桿42接觸或自接觸引起數(shù)據不正確。所述的試樣33的兩端長出保溫模具31，試樣33夾裝在霍普金森壓桿裝置4的入射桿41與透射桿42之間。
[0032]所述的控制系統(tǒng)I包括電力控制器11和溫度控制器12，所述的電力控制器11與動力系統(tǒng)2的發(fā)熱裝置22連接，溫度控制器12與冷卻系統(tǒng)3熱電偶32連接，電力控制器11和溫度控制器12連接。
[0033]本實用新型的工作原理如下:本實用新型通過電力控制器11調節(jié)發(fā)熱裝置22的溫度來驅動液氮噴出，通過氣體導出模具37使氣體引出，通過保溫模具31使引出的液氮蒸汽最大限度的保留在保溫模具31里，并迅速營造一個低溫環(huán)境。將金屬試樣置于保溫模具31中。試樣處于低溫環(huán)境，從而溫度迅速降低。根據安裝在試樣表面熱電偶2探測出的信號，傳入溫度控制器12，溫度控制器12可以根據預定溫度的大小進行控制:當試樣溫度高于設定溫度時，繼續(xù)對發(fā)熱裝置22通電，使之產熱，驅動液氮蒸汽噴出，對試樣進一步進行冷卻。當試樣的溫度到達設定溫度時，溫度控制器12對發(fā)熱裝置22斷電，停止對試樣的冷卻。達到試樣33的溫度要求后，霍普金森壓桿裝置4的氣泵43使得炮筒內的子彈沖擊發(fā)射，進行SHPB沖擊試驗。實現(xiàn)了試樣降溫與SHPB沖擊試驗同時進行，保證了試驗所需溫度的準確性，從而保證了試驗結果的精確度。
[0034]本實用新型的具體實施過程如下:先將冷卻容器21抬至合適的位置，用電烙鐵將耐高溫導線一端與發(fā)熱裝置22接線端焊接，另一端分別穿過氣體導出模具37的線纜孔372，接上普通插頭。然后提起發(fā)熱裝置22，緩慢地放入冷卻容器21中。放好后可配合使用活動扳手塞緊氣體導出模具37，插頭插入電力控制器11的電流輸出端；將外絲寶塔出氣嘴36插頭端插入氣體導出模具37，選用合適尺寸的PVC水管，在其外面包裹上空調保溫管后作為氣體導出管34，然后一端通過直通銅接頭35連接外絲寶塔出氣嘴36，另一端連接保溫模具31的保溫模具凸模312。將熱電偶32正負極分別綁在試樣33的側面，將試樣33夾裝在霍普金森壓桿裝置4的入射桿41與透射桿42之間，并讓熱電偶32從保溫模具凸模312的熱電偶孔穿出。蓋上保溫模具凹模311，用橡皮筋繞在保溫模具凹模311與保溫模具凸模312的底面的兩組凹槽中。
[0035]將熱電偶32與溫度控制器12連接，將電力控制器11與溫度控制器12連接。電力控制器11外接220V電源，最后，開啟電力控制器11，同時啟動溫度控制器12，發(fā)熱裝置22通電產熱，驅動液氮蒸汽從液氮罐里噴出。當試樣33溫度達到預定溫度時，溫度控制器12對電力控制器11斷電。啟動氣泵43，即對試樣33進行沖擊壓縮試驗。
【權利要求】
1.一種實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，其特征是:包括動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，所述的動力系統(tǒng)包括冷卻容器、冷卻劑和發(fā)熱裝置，所述的冷卻劑和發(fā)熱裝置置于冷卻容器內；所述的冷卻系統(tǒng)包括氣體導出管、保溫模具和試樣，氣體導出管的一端與冷卻容器連通，另一端設有保溫模具，保溫模具的側壁上設有一通孔，試樣安裝在該通孔中，保溫模具內試樣表面上設有熱電偶；試樣的兩端長出保溫模具，試樣夾裝在霍普金森壓桿裝置的入射桿和透射桿之間；所述的控制系統(tǒng)包括電力控制器和溫度控制器，所述的電力控制器與發(fā)熱裝置連接，溫度控制器與熱電偶連接，電力控制器和溫度控制器連接。
2.根據權利要求1所述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，其特征是:所述的保溫模具凸模上與保溫模具凹模的連接端設有凸臺及U型通槽，U型通槽的軸線垂直于保溫模具凸模的軸線，U型通槽的底部為半圓形，圓心位于凸臺底面上；對應于保溫模具凸模的凸臺及U型通槽，保溫模具凹模上與保溫模具凸模連接端設有凹槽和垂直于保溫模具凹模軸線的半圓形通槽，半圓形通槽的圓心位于保溫模具凹模的端面上，保溫模具凸模的凸塊嵌裝在保溫模具凹模的凹槽內，保溫模具凸模的U型通槽與保溫模具凹模的半圓形通槽形成兩個保溫模具內腔與外界連通的圓形通孔。
3.根據權利要求2所述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，其特征是:所述的保溫模具凸模的底面上設有兩凹槽，對應于保溫模具凸模底面上的兩凹槽，保溫模具凹模的底面上也設有兩凹槽，保溫模具凸模和保溫模具凹模相對應的兩組凹槽內分別設有橡皮筋。
4.根據權利要求1所述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，其特征是:所述的發(fā)熱裝置為陶瓷發(fā)熱芯。
5.根據權利要求1所述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，其特征是:所述的氣體導出管通過氣體導出模具與冷卻容器連通，所述的氣體導出模具出口端設有凸臺，凸臺的兩側設有線纜孔；氣體導出模具出口安裝有外絲寶塔出氣嘴，外絲寶塔出氣嘴與氣體導出管的一端連接。
6.根據權利要求1所述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，其特征是:所述的保溫模具凸模上設有熱電偶孔，熱電偶從熱電偶孔穿出并拉直，通過引線與溫度控制器連接。
7.根據權利要求1所述的實現(xiàn)霍普金森壓桿低溫沖擊的冷卻系統(tǒng)，其特征是:所述的冷卻劑為液氮。
【文檔編號】G01N1/42GK203981478SQ201420386969
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權日:2014年7月14日
【發(fā)明者】劉文輝, 何圳濤, 陳宇強, 唐昌平, 陳志鋼 申請人:湖南科技大學