基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台制造技术

本发明专利技术涉及材料力学测试技术领域，旨在提供一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台。包括万能试验机、真空绝热杜瓦腔、冷媒循环系统和低温制冷系统；冷媒循环系统包括喷嘴、二级冷端换热器、二级对流式换热器、一级冷端换热器、一级对流式换热器，以及设于万能试验机外部的高压储气罐、循环泵、低压储气罐与氦气瓶，通过管路形成闭合循环回路，并以氦气作为冷媒。本发明专利技术能实现液氢温度至室温大温度范围内材料等温拉伸、压缩、弯曲、剪切、疲劳以及断裂韧性等多种力学性能的测试，拓展材料力学测试的温度范围，提升温控精度和稳定性，同时避免了氦气的大量浪费，极大地降低了测试成本，杜绝了液氢的使用以提高系统的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台
本专利技术涉及材料力学测试
，特别涉及一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台。该平台能在液氢温度(-253℃)至常温(20℃)环境下测量结构材料进行拉伸、疲劳、弯曲、断裂韧性等准静态力学性能的测试。
技术介绍
氢能作为高效清洁的能源，是当前能源问题重要的长期解决方案之一。如何安全有效地储存和运输是氢能大规模应用的关键技术挑战。随着深冷、绝热及真空技术的日益成熟，低温液氢的储运方式具有更高的存储密度和更低的运行压力，减少了单位质量输运的能耗和空间成本，有望成为氢气长距离运输和大规模存储的有效方式。液氢储运的特殊工作温度无疑对其储运所需的压力容器及管道的选材和设计提出了特殊的要求。为了实现液氢储运装备的轻量化，保证产品的安全和寿命，需要充足、可靠的材料液氢温区力学性能数据做支撑。液氢温区力学测试平台是测试材料低温力学性能的基本实验设备。传统的低温力学性能测试装置采用液氦、液氮等低温冷冻液体作为冷源和冷媒对试样进行冷却。而要实现液氢温区的测试，液氦和液氢唯一可选择的低温冷冻液体。但是液氦价格昂贵(约150元/L)，每次试验需要至少上百升的液氦对试样进行冷却，这对于没有液氦循环制备系统的使用者来说，无法对使用后的氦进行回收利用将使得测试成本非常高昂；液氢单位体积汽化潜热低(仅为3.18×104kJ/m3，约为液化天然气的1/7)因此极易汽化造成系统压力迅速上升，氢气点火能量低(0.017mJ)可燃范围大(4-75％)爆轰范围大(18.3-59％)，因此极易燃易爆，氢气分子尺寸小密度小，极易泄漏并扩散，而且氢气还容易致材料氢脆，因此使用液氢需要非常昂贵的安全防护设备和严格的操作规程。此外，采用液氦或液氢浸泡试样，通过沸腾换热的方式可以获得对应沸点温度下(液氦沸点-269℃；液氢沸点-253℃)较为精确和稳定的温度控制；但若要实现液氦或液氢沸点温度以上的测试，则需要将试样悬置在液氦或液氢液面以上，利用闪蒸的氦(或液氢)蒸汽通过自然对流换热的方式对试样进行冷却，这种换热方式换热系数有限，难以实现较小的换热温差和较高的温度控制精度和稳定性，即无法进行有效的等温力学性能测试。因此，现有的材料力学性能测试系统为了实现液氢温度的测试必须采用液氦或者液氢作为冷源和冷媒，存在测试运营成本高昂、操作复杂、安全性差的技术问题，而且难以进行液氦或液氢温度以上温区的等温力学性能测试。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台，包括由底座、机架、作动器、上主轴、下主轴和试样夹具组成的万能试验机；其中，机架设于底座上，作动器安装在机架的横梁上；上主轴的上端通过力学传感器与作动器相连，其下端固定安装试样夹具的上半部分；下主轴的下端固定在底座上，其上端固定安装试样夹具的下半部分；该测试平台还包括真空绝热杜瓦腔、冷媒循环系统和低温制冷系统；所述真空绝热杜瓦腔安装在底座上，是由下法兰、筒体和上法兰组成的中空腔体；其内部套设由外侧多层绝热材料和内侧辐射屏组成的中空辐射腔，中空辐射腔的内部套设测试腔；上主轴和下主轴分别由上下两个方向依次穿过上下法兰、中空辐射腔和测试腔，上主轴和下主轴的端部及试样夹具均位于测试腔中；所述冷媒循环系统包括设于测试腔中的喷嘴，设于中空辐射腔中的二级冷端换热器、二级对流式换热器和一级冷端换热器，设于杜瓦腔中的一级对流式换热器，以及设于万能试验机外部的高压储气罐、循环泵、低压储气罐与氦气瓶，通过管路形成闭合循环回路，并以氦气作为冷媒；所述低温制冷系统包括低温制冷机，其冷头安装在真空绝热杜瓦腔的下法兰上，并向上伸入至真空绝热杜瓦腔和中空辐射腔内；在冷头的中部设一级冷头、顶部设二级冷头；一级冷头和二级冷头均位于中空辐射腔中，前者与一级冷端换热器热耦合连接，后者与二级冷端换热器热耦合连接。本专利技术中，还包括真空泵，通过管路分别连接真空绝热杜瓦腔和冷媒循环系统。本专利技术中，所述测试腔的上部设置连接管，连接管套设于上主轴的外侧；测试腔的下部通过波纹管密封套设在下主轴的外侧。本专利技术中，所述中空辐射腔的上部设有用于穿过上主轴的上开孔，上开孔的边缘密封连接至连接管的外侧；中空辐射腔的下部设有用于穿过下主轴的下开孔，下开孔的边缘通过动密封方式环绕下主轴。本专利技术中，所述真空绝热杜瓦腔的下法兰通过支撑框架安装在底座上，下主轴的下端部通过对中调节环安装在底座上；下主轴与下法兰之间设外波纹管密封，上主轴与上法兰之间设轴向动密封。本专利技术中，在真空绝热杜瓦腔、中空辐射腔和测试腔的同一方向的壁上分别设置侧开门。本专利技术中，所述冷媒循环系统的冷媒循环路径具体为：以管路连接循环泵出口、高压储气罐、流量控制计、一级对流式换热器的高压侧、一级冷端换热器的冷媒侧、二级对流式换热器的高压侧、二级冷端换热器的冷媒侧和喷嘴，实现冷媒供应；以管路连接测试腔、二级对流式换热器的低压侧、一级对流式换热器的低压侧、低压储气罐和循环泵进口，实现冷媒回收；所述氦气瓶通过管路接至循环回路的低压侧，用于补充冷媒。本专利技术中，所述冷媒循环系统中设有压力传感器和截止阀，在高压储气罐上设安全阀，在氦气瓶的出口设减压阀。本专利技术中，所述测试腔还设有电控加热器和温度计。本专利技术中，所述低温制冷机是G-M制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机或J-T制冷机；在低温制冷机和中空辐射腔的外部包裹着多层绝热材料；在低温制冷机的冷头中部设置导热金属或者热管制成的导热热桥，桥接至上主轴及下主轴的中部。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台，以低温制冷机作为冷源，氦气作为冷媒，利用冷媒循环将低温制冷机产生的冷量高效、均匀地传递到待测试样上，从而实现液氢温度至室温大温度范围(-253℃～20℃)内材料等温拉伸、压缩、弯曲、剪切、疲劳以及断裂韧性等多种力学性能的测试，拓展材料力学测试的温度范围，提升温控精度和稳定性，同时避免了氦气的大量浪费从而极大地降低了测试成本，杜绝了液氢的使用则根本上提高了系统的安全性。附图说明图1是本专利技术的系统示意图；图中附图标记为：1-1为万能试验机；44为低温制冷机；23为待测试样。图2是本专利技术实施例所述液氢温区材料力学测试平台的结构示意图。图中附图标记为：1底座；2流量控制计；3截止阀；4高压储气罐；5截止阀；6循环泵；7截止阀；8低压储气罐；9氦气瓶；10减压阀；11截止阀；12压力传感器；13四通；14截止阀；15截止阀；16压力传感器；17安全阀；18内波纹管密封；19真空绝热腔筒体；20多层绝热材料；21真空绝热杜瓦腔的侧开门；22电加热器；23待测试样；24引伸计；25中空辐射腔的侧开门；26测试腔的侧开门；27测试腔；28辐射屏；29喷嘴；30连接管；31上主轴轴向动密封；32真空隔板阀；33三通；34真空泵；35横梁；36作动器；37支撑杆；38力学传感器；39上主轴；40上法兰；41试样夹具；42温度计；43二级冷端换热器；44压缩机；45二级冷头；46二级对流式换热器；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台，包括由底座、机架、作动器、上主轴、下主轴和试样夹具组成的万能试验机；其中，机架设于底座上，作动器安装在机架的横梁上；上主轴的上端通过力学传感器与作动器相连，其下端固定安装试样夹具的上半部分；下主轴的下端固定在底座上，其上端固定安装试样夹具的下半部分；其特征在于，该测试平台还包括真空绝热杜瓦腔、冷媒循环系统和低温制冷系统；所述真空绝热杜瓦腔安装在底座上，是由下法兰、筒体和上法兰组成的中空腔体；其内部套设由外侧多层绝热材料和内侧辐射屏组成的中空辐射腔，中空辐射腔的内部套设测试腔；上主轴和下主轴分别由上下两个方向依次穿过上下法兰、中空辐射腔和测试腔，上主轴和下主轴的端部及试样夹具均位于测试腔中；所述冷媒循环系统包括设于测试腔中的喷嘴，设于中空辐射腔中的二级冷端换热器、二级对流式换热器和一级冷端换热器，设于杜瓦腔中的一级对流式换热器，以及设于万能试验机外部的高压储气罐、循环泵、低压储气罐与氦气瓶，通过管路形成闭合循环回路，并以氦气作为冷媒；所述低温制冷系统包括低温制冷机，其冷头安装在真空绝热杜瓦腔的下法兰上，并向上伸入至真空绝热杜瓦腔和中空辐射腔内；在冷头的中部设一级冷头、顶部设二级冷头；一级冷头和二级冷头均位于中空辐射腔中，前者与一级冷端换热器热耦合连接，后者与二级冷端换热器热耦合连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于低温制冷机和冷媒循环的液氢温区材料力学测试平台，包括由底座、机架、作动器、上主轴、下主轴和试样夹具组成的万能试验机；其中，机架设于底座上，作动器安装在机架的横梁上；上主轴的上端通过力学传感器与作动器相连，其下端固定安装试样夹具的上半部分；下主轴的下端固定在底座上，其上端固定安装试样夹具的下半部分；其特征在于，该测试平台还包括真空绝热杜瓦腔、冷媒循环系统和低温制冷系统；所述真空绝热杜瓦腔安装在底座上，是由下法兰、筒体和上法兰组成的中空腔体；其内部套设由外侧多层绝热材料和内侧辐射屏组成的中空辐射腔，中空辐射腔的内部套设测试腔；上主轴和下主轴分别由上下两个方向依次穿过上下法兰、中空辐射腔和测试腔，上主轴和下主轴的端部及试样夹具均位于测试腔中；所述冷媒循环系统包括设于测试腔中的喷嘴，设于中空辐射腔中的二级冷端换热器、二级对流式换热器和一级冷端换热器，设于杜瓦腔中的一级对流式换热器，以及设于万能试验机外部的高压储气罐、循环泵、低压储气罐与氦气瓶，通过管路形成闭合循环回路，并以氦气作为冷媒；所述低温制冷系统包括低温制冷机，其冷头安装在真空绝热杜瓦腔的下法兰上，并向上伸入至真空绝热杜瓦腔和中空辐射腔内；在冷头的中部设一级冷头、顶部设二级冷头；一级冷头和二级冷头均位于中空辐射腔中，前者与一级冷端换热器热耦合连接，后者与二级冷端换热器热耦合连接。2.根据权利要求1所述的力学测试平台，其特征在于，还包括真空泵，通过管路分别连接真空绝热杜瓦腔和冷媒循环系统。3.根据权利要求1所述的力学测试平台，其特征在于，所述测试腔的上部设置连接管，连接管套设于上主轴的外侧；测试腔的下部通过波纹管密封套设在下主轴的外侧。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴英哲，郑津洋，陶杨吉，刘宝庆，匡继勇，顾超华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33