专利名称：传导式低温冲击致冷容器及其致冷方法
技术领域：
本发明是属于金属物理检验领域，具体涉及一种用于金属夏比缺口冲击试验致冷装置及致冷方式。
目前国内外金属材料试验室做金属材料夏比缺口冲击试验，一般是将试样直接放在液体介质或气体介质中进行冷却，多采用液体的溶液浸泡法，溶液选用凝固点低的乙醇(CH3CH2OH)类溶液加入液态氮(LN2)或干冰混合而成，该混合液必须用机械搅拌器或人工搅拌方能使温度均匀，将试样浸泡在溶液中进行冷却，冷却到规定的温度后，用手工挟持方法送到试验机进行低温冲击试验。这样混合溶液温度存在以下缺点(1)温度不均匀，特别当温度降至-40℃以下时，再向溶液中加入LN2时，液面立即出现凝固现象，使其流动性减弱，温度越低这种现象越明显；(2)温度梯度较大当LN2加入溶液时因LN2比重较轻，漂浮在溶液表面，使溶液产生梯度，要经较长时间搅拌，方可减小；(3)温度稳定性差由于外界条件和容器结构影响液温在变化，这样需人工凭感觉加入LN2，造成液温或高或低不稳定现象；(4)溶液浸泡方法只能进行定点温度试验造成试验局限性。
为了解决溶液温度存在的问题，国内外有关人员曾做过许多研究和试验，1982年太钢钢研所研制成功一种DC—3型低温致冷容器。该容器是采用热交换，N2搅拌方法、冷却溶液，致冷试样。其结构如图2所示，溶池溶液中有螺旋管形的LN2热交换器、环管形快速降温器和N2搅拌器，中间有多孔的盒式试样槽与溶液相通，致冷试样是通过LN2热交换器与溶液不断进行热交换，使溶液温度不断下降，利用冷却过程中产生的N2进行搅拌，使溶液温度均匀稳定，试样浸泡在溶液中，冷却规定温度后人工挟持方法，送到试验机上，因冷却溶液直接接触试样难以实现送样自动化，用手挟持送试样一般需4～5秒钟，时间较长，导致试样温度回升，因此为了保证试验的准确性，在有关标准中都规定有附加过冷度。过冷度对冲击试样性能会产生一定的影响，因而影响材料试验质量。
本发明的目的是针对上述已有技术存在的缺点和不足，提供一种将冲击试样置于试样导槽中不直接与冷却体接触的低温致冷容器和一种将冷却体的温度通过试样导槽传导给试样的致冷的方法，从而实现送样自动化，缩短送样时间，保证检测质量和安全，提高检测效率。
本发明的目的是这样实现的在DC—3型低温致冷器结构基础上进行改造，其结构包括注入LN2装置、控制阀门、冷却体三部分。注入LN2装置有LN2容器连接LN2自压泵，用乳胶管与冷却体中热交换器相连，用粗、细调节阀门控制LN2和N2进入量；冷却体有盛有凝固点较低的乙醇类溶液的液池。溶液中有螺旋管形的热交换器和环形管快速冷却器及N2搅拌器，管壁上打有小孔，孔口朝下，该致冷容器的特点是置于热交换器及快速冷却器中间的试样导槽采用导热系数大的黄铜板制作，呈丁字形三通试样导槽，在导槽进口处露出液面处水平方向打数个小孔为N2通孔，导槽尺寸根据试样大小而定。
致冷和送样过程当LN2注入浸泡在溶液中的热交换器，溶液的温度与热交换器的温度进行交换，低温LN2吸收溶液中热量转化为N2，溶液温度下降，LN2不断由粗、细阀门调节补充，进入热交换器，使溶液失去的热量与热交换器补充的热量保持平衡。在冷却过程中N2不断由热交换器排出，通过调节阀门一部分进入快速降温器，从小孔喷出，加速上部溶液冷却；另一部分N2进入N2搅拌器中，由小孔喷入溶液底部，使溶液由静态变为动态，从而得到一个均匀而稳定的冷却体，该容器的特点是冷却体不直接致冷试样，而是通过试样导槽传导给试样。同时从溶液中排出的N2又由导槽水平面上的小孔进入导槽中，N2的温度一方面扩大均温区，另一方面N2密封导槽进出口，隔离外界空气，避免了空气中的水份在进出口外凝固，使试样进出导槽自如。当试样冷却到规定的温度后，用推样杆由导槽下边的出口处推出，直接送到冲击试验机的支撑台上，实现送样自动化，时间只需1～1.5秒钟，缩短了送样时间，因时间短，不致使温度回升，故不需再加过冷度，这样保证了检测质量和安全，提高了检测效率。
该致冷容器适用温度范围室温———100℃，具体温度根据需要而定，保温时间一般为5～10分钟。
下面结合
进一步描述本发明的传导式低温冲击致冷容器结构及致冷过程也作为给出的实施例图1.传导式低温冲击致冷容器结构图(冷却体为剖视图)图中1.LN2容器、2.LN2自压泵、3.乳胶管、4.热交换器、5.粗调阀门、6.细调阀门、7.快速降温器、8.试样导槽、9.N2搅拌器、10.液池、11.推样杆、12.外壳。
图2、DC—3型液体介质低温冲击致冷容器结构图(为比较图)图中区别图1的有13.多孔的盒式试样槽、14.底栅、15.试样。
图3、传导式低温冲击致冷容器工作程序图。
图4、导槽温区测温点位置示意图(单位mm)。
如图1和3所示将冷却介质乙醇(CH3CH2OH)溶液，用漏斗由测温孔注入液池(10)，用推样杆(11)把试样按顺序号依次从试样导槽(8)下边开口处送入导槽。LN2容器(1)和连接的LN2自压泵(2)，用乳胶管(3)与冷却体中的热交换器(4)相接，先打开粗调阀门(5)，用手轻压LN2自压泵(2)上的皮球，将LN2注入热交换器(4)中，溶液温度进行交换。当溶液温度下降到高于试验温度2℃时，关闭粗阀门(5)，调节细阀门(6)使冷却体的温度均匀稳定。
致冷和送样过程是浸泡在溶液中的热交换器(4)注入LN2后与溶液温度进行交换，溶液温度下降，LN2气化为N2，经细调阀门(6)进入N2搅拌器(9)，N2由搅拌器小孔喷入容器底部，同时又由粗调阀门(5)进入快速降温器(7)，由小孔喷出，使溶液由静态变为动态，促进热交换和温度均匀，通过调节阀门(5)、(6)控制N2和LN2注入量，液池(10)中溶液温度得到控制，并形成一个热容量大，温度均匀而稳定的冷却体，冷却体的温度通过试样导槽(8)传导给试样。在冷却过程中从溶液溢出的N2又由导槽小孔进入导槽中，利用N2温度扩大均匀区，另外N2又可隔离外界空气，使试样出入自如。最后N2由导槽出口排入大气中。
当试样冷却到试验规定的温度后，保温5～10分钟，由导槽下边的推样杆(11)推出，送到冲击试验机的支撑台上，时间只需1～1.5秒钟。该致冷容器适用温度范围由室温——-100℃。
下面提供传导式低温冲击致冷容器致冷试样温区测试情况1、测试条件选用符合GB4159—84—3、4规定的镍铬—考铜热电偶，分度值1℃；选用符合GB4159—84—3、5规定的电位差计、分度值1μV；选用符合GB4159—84—3、6规定的热电偶参考端度LN2。
2、测定温区为10.5mm×60mm×210mm，测温点位置(单位mm)如图4所示温区垂直梯度测定点147101325811143691215温区水平漂度测定点12345678910 11 1213 14 153、溶液CH3CH2OH温度与试样温度关系测定将溶液降温至不同试验温度，使控温电偶稳定10分钟，然后测定试样表面温度，结果见表1。
表1
由上表所测数据表明溶液达到试验温度后稳定10分钟，测出的试样温度略高于溶液温度。在10～-40℃之间，温差很小，为+0.2℃；-50～-100℃之间，温差逐渐递增，最大值不超过+1℃。为使样品与试验温度相一致，可以此表数据为依据控制溶液温度。
4、试样导槽温度均匀性测定在测定导槽空间温区时，首先确定试验温度，依据表1的关系调节好溶液温度保温10分钟，移动测温电偶如图4所示测温点位置，观察测温电偶电势变化，并记录实测数据，结果见表2—6。
表2
S＝64.69/℃ △Tmax＝0.15℃
表3
S＝62.89/℃ △Tmax＝0.11℃表4
S＝60.36/℃ △Tmax＝0.1℃
根据温区均匀度测定结果，由表2—6可看出，在试样导槽进出口处温度稍有偏高，主要是受外界温度影响，在导槽中间部位，温度均匀性最好，接近于溶液温度温场在10.5mm×60mm×210mm范围内，最大梯度及不均匀度≤0.5℃，水平漂移度≤0.1℃。
5、温区稳定性测试(见表7)表7
由表7温区稳定性测试结果看出，由于试样在一个较大的热容体中浸泡着，所以温场稳定性很好，其控温精度≤±0.3℃。
该传导式低温致冷容器及其致冷方法优点是1、容器结构设计合理，结构简单造价低，可与宁夏吴忠材料试验机厂生产的J30A、J30B冲击试验机配套使用。
2、该致冷容器是通过热交换，N2搅拌方法，致冷溶液使溶液形成均匀而稳定的冷却体，其控温精度≤±0.5℃，温区梯度≤0.5℃，水平漂移度＜0.1℃。
3、利用热交换、热传导方式间接冷却试样，从而实现直接将试样转送到冲击试验机上，缩短送样时间，避免试样温度回升，提高检测质量，保障安全。
4、试样导槽容量大，一次可装30个试样，提高了检测效率。
5、适用温度范围宽，由室温——-100℃。
6、应用广泛，可用于冶金、机械、造船、建筑、石油化工以及高等院校、科研单位等金属材料试验室。
权利要求
1.一种传导式低温冲击致冷容器，它包括注入LN2装置、控制阀门、冷却体三部分；注入LN2装置有LN2容器(1)与LN2自压泵(2)连接，用乳胶管(3)连接冷却体中的热交换器(4)；控制LN2、N2流入量用粗调阀门(5)和细调阀门(6)；冷却体有液池(10)，内盛冷却溶液，螺旋管形热交换器(4)、环管形快速降温器(7)和N2搅拌器(9)及试样导槽均浸泡在冷却溶液中，其特征在于试样导槽(8)呈丁字三通形，内有N2，试样放在导槽中不与冷却溶液接触，导槽下面有推样杆(11)。
2.根据权利要求1所述致冷容器，其特征在于试样导槽(8)进口露出液面处水平方向打有数个小孔为N2通孔，导槽尺寸根据试样大小而定。
3.根据权利要求1所述致冷容器，其特征在于试样导槽(8)的材质要选用热导系数大的黄铜板制作，外壳(12)为隔热板。
4.一种传导式低温冲击致冷方法，是由液池(10)中的乙醇类溶液与浸泡在溶液中的热交换器(4)、快速降温器(7)、N2搅拌器(9)经过搅拌和热交换使溶液温度不断下降，形成均匀而稳定的冷却体，致冷试样，其特征在于冷却体不接触试样而是通过试样导槽(8)将温度传导给试样，当试样冷却到试验规定温度，由导槽底部的推样杆(11)推出，直接推到冲击试验机支撑台上。
5.根据权利要求4所述致冷方法，其特征在于溶液与热交换器(4)在热交换过程中产生N2由导槽小孔进入导槽(8)中，最后排入大气。
6.根据权利要求4所述致冷方法，其特征在于适用温度范围由室温——-100℃，具体致冷温度根据试样试验要求而定，一般保温时间为5～10分钟。
全文摘要
一种用于低温夏比冲击试验的传导式低温冲击致冷容器及其方法其主要结构包括注入LN2装置、控制阀门、冷却体三部分。冷却体有液池(10)内有溶液，溶液中浸泡有热交换器(9)、快速降温器(7)、N2搅拌器(9)及试样导槽(8)。采用热交换、N2搅拌方法，使液池内形成均匀而稳定的冷却体传导给导槽中的试样以致冷，试样不接触溶液，从而实现送样自动化，缩短送试样时间，避免温度回升，提高检测质量和效率，保障安全。该容器可广泛用于冶金、机械、造船、化工等行业。
文档编号F25D3/10GK1125315SQ9411924
公开日1996年6月26日 申请日期1994年12月20日 优先权日1994年12月20日
发明者赵玉仲 申请人:太原钢铁(集团)公司