用于降低试样温度梯度的气流分流器的制作方法

下面的讨论仅是为了提供一般的

背景技术：
信息，并且不应当被作用辅助确定所要求保护的主题的范围。

在聚合物和金属材料上进行的常规测试包含循环或单调施加的应力。这些测试通常对试样施加拉力和/或压缩力。例如并且非限定性地，试样可以包括狗骨(dog bone)形和圆柱形等的拉伸和压缩试样。例如并且非限定性地，用于保持试样的夹持机构可以包括拉伸夹具、压缩板、楔进作用(wedge action)夹具、剪切夹具，例如双搭接剪切夹具、撕裂能量夹具、弯曲夹具等。测试通常在具有环境室的加载框架中进行，其中环境室用于将受测试的试样暴露于特定的热环境。温度通常被控制并且通常在整个测试期间变化。通过在试样上施加激励运动(或力)并测量试样的结果力(或运动)响应来评价材料的机械性能。

根据响应输出与激励输入的关系可以推导出试样材料的特性。关于聚合物的大多数理论模型预测取决于频率、温度和振幅的响应。大多数经验测试将响应映射为变化的频率、温度和振幅的函数。一个这样的例子是聚合物材料的动态模量的测量，例如动态机械分析(dynamic mechanical analysis，DMA)的储能模量和损耗模量。在聚合物测试的特定情况下，由于机械性能(动态模量)非常依赖于温度，因此在机械测量期间受测试的样品具有均匀且稳定的温度是重要的。这种热环境是获得可重复和一致的经验数据的关键。

技术实现要素：

本发明内容和摘要被提供以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本发明内容部分和摘要部分不试图认定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不应当被用作辅助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术部分中提到的任何或所有缺点的实施方式。

本公开内容的一个方面包括一种环境室，所述环境室包括壳体，所述壳体具有相对的壁，每个壁具有孔，孔的尺寸被设定为接收穿过该孔的试样支撑件。所述孔沿参考轴线彼此对齐。强制气源配置成沿与所述参考轴线相交的方向在所述壳体内提供强制空气。所述分流器定位在强制气源与参考轴线之间。分流器被构造成接收强制空气并且控制流过所述参考轴线的不同部分的气流。所述环境室与具有延伸进入相对的所述孔的试样支撑件的装载框架一起使用。

本公开内容的另一方面为一种装载框架，所述装载框架具有支撑结构、连接到所述支撑结构的致动器以及一对试样支撑件，所述一对试样支撑件连接到所述支撑结构和所述致动器，并且所述一对试样支撑件被构造成将试样保持在该一度试样支撑件之间并位于参考轴线上，每个试样支撑件包括被构造成保持所述试样的一部分的试样支撑件。所述装载框架包括如上所描述的环境室，其中每个孔的尺寸被设定为接收穿过该孔的试样支撑件中的一个。

上文所述的环境室、装载框架和方法可包括以下特征中的一个或多个。

所述分流器可被配置成朝向参考轴线的远离每个所述孔的内部部分处减少气流，并且在所述参考轴线的远端部分增加气流，其中每个远端部分被定位在所述内部部分和所述孔中的一个孔之间。所述分流器可以包括将气流朝向所述参考轴线的每个远端部分偏转的表面，其中每个表面被定向为相对于所述气流倾斜。

所述分流器可包括穿过其中的一个或多个第一孔，以引导气流到所述参考轴线的每个远端部分，并且如果需要，还可包括穿过其中的一个或多个第二孔，所述第二孔被配置成引导气流到所述参考轴线的所述内部部分。在一个实施例中，一个或多个第二孔被布置在一对所述一个或多个第一孔之间。所述一个或多个第一孔和/或所述一个或多个第二孔中的每一个可以被布置在一个或多个平坦的构件上，其中一个或多个平坦的构件被定向为相对于所述参考轴线倾斜或或平行。

在进一步的实施例中，所述分流器包括安装件，所述安装件被配置成将所述分流器可调节地固定在与所述参考轴线相距选定的距离处。所述分流器能够被安装在壳体内并与用于提供强制空气到壳体中的第三孔或入口(即，用于支持强制空气的出口)隔开。在再一个不同的实施例中，分流器被安装以覆盖第三孔的至少一部分，其中所述第三孔可被设置在一管道上，所述管道的长度可调节并被构造成输送强制空气。

再一个方面为一种在通过具有支撑结构和致动器的装载框架施加载荷或位移的过程中保持试样的选定的温度梯度的方法，所述方法包括：使用一对试样支撑件将所述试样支撑在环境室中，以将所述试样保持在参考轴线上，所述一对试样支撑件被可操作地连接到所述致动器和支撑结构，每个试样支撑件包括穿过相应的孔延伸进入环境室的一部分；向所述环境室内提供强制空气；和将比朝向所述试样的一部分引导的空气更多的空气朝向所述试样支撑件的每个所述部分引导，以在测试过程中控制穿过所述试样的温度梯度。

在一个实施例中，将比朝向所述试样的一部分引导的空气更多的空气朝向所述试样支撑件的每个所述部分引导的步骤包括使用分流器以控制气流。该方法也可包括调节所述分流器在环境室中的位置和/或包括上文所述特征中的一个或多个。

附图说明

图1为具有加热的空气流的装载框架的框图；

图2为具有冷却的空气流的装载框架的框图；

图3为根据本公开的一个实施例的分流器的透视图；

图4为根据本公开的另一个实施例的分流器的透视图；

图5为本公开的分流器可应用的实施例的框图；

图6为本公开的分流器可应用的另一个实施例的框图；

图7为根据本公开的一个实施例的分流器的正视图；

图8为本公开的分流器可应用的实施例的框图；

图9为根据本公开的一个实施例的模拟的最大和最小试样温度的曲线图；

图10为具有环境室的装载框架的透视图；

图11为根据本公开的一个实施例的环境室的一部分的透视图；

图12为沿图11中的线12-12截取的正视图；以及

图13为沿图11中的线13-13截取的正视图；以及

图14为环境室的透视图。

具体实施方式

在图1中由100示意性地指示的装载框架在图10中更详细地示出。装载框架100通常用于装载由102示意性地示出的试样。试样102定位在环境室104的内部，所述环境室104形成壳体，所述壳体具有一对端壁106，所述一对端壁106具有开口108，延伸支撑组件110延伸穿过所述开口。室104被以任意期望的方式相对于装载框架100被支撑，其细节与本公开的内容无关。延伸组件110在装载路径中支撑所述试样102，所述装载路径位于激励运动输入112和测力传感器114之间，并且每一个延伸组件包括通常连接到夹持机构113的试样支撑件111，如上文描述那样被示例性地示出。测试系统100中的这些激励运动输入、测力传感器及其相对位置可根据应用的具体测试系统而改变。然而，这些方面为公知的，并且其细节与本公开内容无关。

参考图10，示意性地示出了整体上以100表示的装载框架，并且其用于装载以1011示意性示出的试样。试样1011被定位在环境室1012的内部，所述环境室1012形成具有一对相对端壁1013的壳体。环境室1012可以设置在另一个壳体1017内。腔室1012相对于装载框架100以任何期望的方式支撑，其细节与本发明的公开内容不相关。如图所示，装载框架100具有支撑结构，该支撑结构具有基部1014、一对立柱1015和丁字头(cross head)1016。丁字头1016支撑具有本公开的多个方面的试样支撑件1020。在环境室1012的下端处示出了类似的(如果不是相同的)试样支撑件1021。在所示的实施例中，试样支撑件1021联接到位于基座1014中的致动器(在1019处示意性地示出)。这种致动器是众所周知的，其细节与本公开无关。通常，致动器1019和支撑结构被配置为使用测试支撑件1020,1021向测试试样1011施加载荷或位移。测力传感器1018通常被提供以测量所施加的载荷。

在该点上，应当注意，本公开的方面不限于示例性实施例的装载框架100，本公开的方面也不限于仅向试样1011施加载荷，尽管当施加载荷时本公开的多个方面是特别有利的，因为这些载荷是通过试样支撑件1020和1021施加。

环境室通常用于使试样1011经受高温或低温环境，以便获得指示测试试样1011的特性的测量结果。由于试样支撑件1020和1021的至少一个或多个部分也经受与试样相同或相似的环境，试样支撑件1020和1021(例如，延伸组件，例如示意性地示出的组件110)在经受高温或低温环境时必须表现令人满意。对于承载框架而言，例如装载框架100，试样支撑件1020和1021向试样1011传递或施加载荷，因此，当保持器1020和1021也在高温或低温下操作时，试样支撑件1020和1021必须施加这些载荷。

延伸组件110或支撑件111是材料测试领域中公知的试样夹具中的一种。用于保持试样的端部的机构可以采用很多公知的形式，包括但不限于可移位的楔和夹持夹头。在美国专利5,095,757和5,945,607中示出了其他形式的试样支撑件，其全部内容通过引用并入本文。这些和其他形式的试样接收器可以与本文描述和/或示出的本发明的一个或多个方面一起使用。

环境室通常用于使试样102经受高温或低温环境，以便获得指示试样102的特性的测量值。由于延伸组件110的至少一部分也经受与试样102相同或相似的环境，因此延伸组件110的热特性也是获得测量结果的因素。

为了改变试样，例如试样102，的温度，热处理室，例如室104，通常在室104内使用被引导穿过试样102和试样附着区域的加热或冷却空气的强制空气流。由于通常聚合物测试的温度范围在-150至350℃范围(但不限于该范围)，并且由于在测试过程中可以使用许多不同的温度，因此可能需要快速的温度变化。与自然空气对流相比，强制空气对流比是更常用的，并且强制对流环境室是用于快速控制试样温度的最适合的加热/冷却装置。

延伸组件110是限定参考轴线107的载荷路径的一部分，所述载荷路径包括延伸组件110的至少一部分，例如位于环境室104内部的测试支撑件111，并且因此，高刚度和低质量(low mass)对于延伸组件110而言是理想的。高刚度、低质量设计约束通常导致需要对用于延伸组件110的材料和几何形状进行选择，其特别是与被测试的试样102相比具有高的导热率和相对较低的热对流率，。延伸组件110变成从环境室104的内部到环境室104外部的部件的传导热传递路径，该部件通常处于与期望的试样温度和环境室空气温度不相同的某个温度。相反，试样通常是具有高的热对流速率和与延伸组件110相比的相对较低的导热率的聚合物材料。此外，试样直径也通常小于延伸组件110的直径，这导致对于试样部分的较高的对流热交换。

延伸到环境室中的延伸组件110经受与待测试的试样102相同的环境条件。控制延伸组件的温度的传统方法包括流体冷却或流体加热，例如通过使冷却后或加热后的水或空气行进通过延伸组件。从流体冷却或流体加热中抽取热或加入热可能导致非常大的温度梯度。此外，在环境室内流体冷却或加热延伸组件可能非常难以实施。在有利的实施例中，除了腔室中的对流空气流和内部传导热流之外，本文所述的延伸组件110不被冷却或加热。换句话说，延伸到环境室中的延伸组件110或支撑件111不包括任何补充的加热或冷却系统或部件，从而提供显着的成本节约，因为可以使用更简单的支撑件。

在环境室104中的高温环境的情况下，空气温度总是高于试样温度。因此，如图1所示，所有来自空气流的对流热传递进入试样102并进入延伸组件110，其中较长的箭头表示较高的传热速率。具体地，水平箭头表示对流传递，垂直箭头表示传导热传递。由箭头116表示的强制热空气导致如箭头118所示的对流热传递到试样102中，以及如箭头120所示的对流热传递到延伸组件110中。试样102中的传导热传递由箭头122指示，并且延伸组件110中的传导热传递由箭头124指示。所有传导热传递通过延伸组件110从室104中引出。对于该实施例而言，热流从强制热空气到试样102和延伸组件110，并且从试样102流出到延伸组件，然后离开腔室104。

在环境室104中的低温环境的情况下，空气温度总是低于试样温度。因此，来自空气流的所有对流热传递都如图2所示从试样和延伸组件出来，其中具有较长长度的箭头指示较高的热传递速率。具体地，水平箭头表示对流传递，垂直箭头表示传导热传递。由箭头116指示的强制冷空气导致如箭头218所示的来自试样102的对流热传递，以及如箭头220所示的来自延伸组件的对流热传递。试样102中的传导热传递由箭头222指示，并且延伸组件110中的传导热传递由箭头224指示。所有传导热传递通过延伸组件110引入腔室104中。用于该实施例的热流动从腔室104的外部进入延伸组件110，从所述延伸组件110进入试样102，以及从试样102和延伸组件110出来到腔室104。

由于延伸组件110和试样102的通常不同的热品质以及通过与延伸组件110接触而进入或离开试样102的传导热传递，在对流气流区域存在的情况下可能难以在试样内获得均匀的温度梯度。由于在试样102中与高对流传热传递相结合的相对低的热导率，试样102的中心部分可以在加热环境(图1)中形成热点。延伸组件110的高的热传导率将组件110在加热的环境中保持为相对冷(至少与试样102相比)，并且产生用于从试样102流入到组件110中的热能量的热沉(heat sink)，通常的金属组件110的相对较低的对流热传递系数可能使试样102中的热梯度问题更加严重，因为从空气到延伸组件110缺少对流热也将组件110保持为相对于试样102更冷。在冷却环境的情况下(图2)，在试样中获得均匀的温度梯度方面也具有类似的困难。

在一个实施例中，分流器(diverter)被定位在强制控制流路径中，以将加热的或冷却的空气的至少一部分从试样102的中心区域(与参考轴线107的内部部分相一致)转向到延伸组件110(每一个延伸组件定位在参考轴线107的远离参考轴线107的内部部分的远端部分处)。分流器的各种实施例降低了在试样区域中的对流热传递系数，这例如降低了在试样102的中心的热点。该降低的热点允许在跨试样的竖直部分中形成不那么剧烈的温度梯度。

在图3和图4中分别示出了分流器300和400的示例性实施例。在图3中以透视图示出了分流器300。分流器300具有楔形形状，所述楔形形状具有从楔形顶点304以分叉的方式延伸的楔形壁或表面302。分流器300可以具有从楔形壁302的远离顶点304的端部308基本上彼此平行地延伸的腿部306。在一个实施例中，腿部306具有半圆形切口310以减少或防止空气朝向试样流动。如果需要，切口310的形状可以类似于试样102的外表面的形状。分流器300被示出为位于图5中的空气流动路径中，其中表面302相对于空气流或参考轴线107倾斜地定向。

仍然参考图5，通过降低在试样102处的局部空气流的量，设置在空气流116的流动路径中的分流器300降低了在试样区域尤其是其中心的热传递。由于对流热传递系数与空气流的量成比例，较低量的空气流导致较低的热传递系数。强制空气流116在502处被从试样102的中心转向并且朝向延伸组件110。这充分地降低了试样102的对流热的量，并且增加了延伸组件110的对流热的量，尤其在延伸组件110的最靠近试样102的区域504处。该附加的空气流补偿了组件110相对于试样102的相对高的热导率，从而与未设置分流器300的测试环境相比，增加了延伸组件110的温度，并且使得和/或保持延伸组件110的温度更接近试样102的温度，通过减小在试样102和延伸组件110之间的温度梯度而减少从试样102到延伸组件110的传导热流动，并且因此减小了在试样中的温度梯度。

在图4中以透视图示出了分流器400。分流器400具有类似于分流器300的楔形形状，该楔形形状具有从楔形顶点404延伸的分叉的楔形壁402。在一个实施例中，分流器400在其壁402中的每一个中具有多个开口。所述开口在最接近楔形顶点404的406处最小，并且开口越远离楔形顶点404增加(例如逐渐地)到较大开口408、410和412。尽管示出了四行开口，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，使用的开口的行数可以更多或更少(或可使用由这些开口构成的其它图案)。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，在另一实施例中的开口可以具有相同尺寸的多行开口。分流器400示出为位于图6中的空气流路径中。

同样参考图6，分流器被放置在空气流116的流动路径中，通过以类似于上面关于分流器300所描述的方式而降低在试样102处的局部空气流速，以降低在试样区域中的热传递。由于对流热传递系数与气流速度成比例，较低的气流速度导致较低的热传递系数。强制气流在502处被从试样102的中心转向并且朝向延伸组件110。进一步地，从楔形顶点404沿着腿部402进一步向下，开口406、408、410和412允许来自强制空气流116的不断增加的空气流量通过到试样102，如602所示，其中对流热在试样102的最接近延伸组件110的端部附近更大，如606所示。该附加的气流补偿了组件110相对于试样102的相对较高的热导率，以便减少试样在试样102的中心604处的对流热的量，并且在与没有分流器400的测试环境相比时，增加了延伸组件110的对流热的量，特别是在延伸组件110的最靠近试样102的区域608中。空气流的这种部分转向增加了延伸组件的温度，并且使得和/或维持延伸组件110的温度更接近试样102的温度，通过减小试样102和延伸组件110之间的温度梯度而减少了从试样102到延伸组件110的传导热流，并且因此降低了在试样中的温度梯度。

在一个实施例中，诸如分流器300和400的分流器定位成靠近试样102，以便如期望的那样将尽可能多的空气流116转向离开试样，其中至少大部分被引导朝向试样102的空气流116被分流器300转向离开试样，并且与通过分流器300转向的空气流相比，较少的空气流116被分流器400转向离开试样102，其中每个分流器300和400减小了试样102和延伸组件110之间的温度梯度102，并且因此降低了在试样中的温度梯度。在不脱离本公开的范围的情况下，分流器300和400可以以多种方式安装在室104内。仅作为示例而不是作为限制，分流器例如可以使用支撑板和/或支撑组件安装到环境室106的内部，例如安装到环境室的壁或门，或者分流器300和400可以安装至设置在环境室106中的延伸组件110中的一个或两者，等等。

诸如分流器300和400的分流器如图所示被定位成非常靠近试样102。应当理解，在不偏离本公开的范围的情况下，分流器300和400的精确定位可以更接近或更远离试样102。此外，多分流器设计也是可能的，其将来自试样102的空气流转向，或者使更多的空气流朝向延伸组件110的与试样102相反的部分转向，并且在本公开的范围内。

图7示出了可以在另一个实施例中使用以减小在试样102组件内的温度梯度的分流器700。在诸如试样102的试样和诸如组件110的延伸组件之间较小的温度梯度可以有助于降低在试样中的温度梯度。示例性实施例中的分流器700可以被认为是挡板，因为分流器700覆盖或以其他方式设置在通道或通路中或位于所述通道或通路的一端，其中空气流116通过该通道或通路被引入到试样上。在该实施例中，空气流管道开口是圆形的，并且分流器700因此也是圆形的。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，其他不同的空气流管道开口形状以及具有与管道开口形状相匹配的形状的分流器也是可适用的。

分流器700在其中具有多个不同尺寸的开口。在分流器的中心处，开口702较小。在分流器700的顶部704和底部706处，开口708和710大于开口702。在分流器700的两侧712和714处，开口716和718大于开口702、708和710。在空气流通过分流器700时，与通过开口708和710的空气相比，更多的空气穿过开口716和718，并且与通过开口702的空气相比，更多的空气穿过开口708和710。在一个实施例中，分流器700的包括开口702的部分的宽度720和高度722被大致设定为试样102的高度和宽度，尽管这不是必须的。

图8示意性地示出了使用分流器700的环境室104的实施例。通道或通路800提供强制空气流116到环境室104中。在该实施例中，分流器覆盖出口开口801。通路800到环境室106的相对尺寸可根据需要而变化。空气流116被分流器700中的开口改变。箭头802指示穿过分流器700的开口702的空气流。该空气流802基本被朝向试样102引导。箭头808和810指示穿过分流器700的开口708和710的空气流。箭头816和箭头818指示穿过分流器700的开口716和718的空气流。由箭头816和818代表的空气流被引导为穿过试样102，但是不直接朝向试样102，并且因此基本绕过试样102。被指示为冲击试样10并由箭头802表示的空气流的较低速度和量产生如箭头820所示的试样102的较低的对流热，以及如箭头822所示的延伸组件110的相对较高的对流热。由箭头824指示试样102中的传导热流，并且由箭头826指示延伸组件110中的传导热流。由分流器700改变的环境室104中的空气流型增加了延伸组件110的靠近其与试样102的接合处的部分的温度，并且使得和/或保持延伸组件110的靠近试样102的部分在温度上更接近试样102的温度，通过减小试样102和延伸组件110之间的温度梯度，从而减少从试样102到延伸组件110的传导热流动824，并且因此降低了在试样中的温度梯度。

在一个实施例中，分流器700通过铰链828连接到开口801，使得分流器700可从空气流的路径上116移除。分流器700到开口801的可替代的安装方式例如而不限于包括压配合、螺纹连接、铆接等，以及不偏离本公开的范围的情况下可使用其他安装结构。安装结构可以被配置为允许容易地移除分流器700，例如形成在环境室106中的与分流器700的周边边缘接合的一个或多个部分的狭槽或引导件830。允许容易的移除的结构允许不断地尝试具有不同的空气转向特性的分流器，至少部分地通过减小试样与组件110的接近试样102的部分之间的温度梯度，直到实现试样102内期望的或至少可接受的温度梯度，，。

低温应用最适用于DMA测试。除了空气温度总是比试样和延伸组件更冷并且热传递路径相反之外，低温情况类似于本文所述的高温情况，如图2所示。对于冷测试，热能的方向为从室106的外部通过延伸组件110进入试样102，然后离开试样102并进入空气流。除了对流和传导流动路径相反之外，本文所述的空气流分流器的所有优点在低温情况下与在高温情况下相同。

图9显示了2℃空气流温度阶梯(从-125至-123℃)的模拟的最大和最小试样温度。具有分流器(例如分流器700)的最大温度曲线由902指示，并且具有分流器(例如分流器700)的最小温度曲线由904指示。906和908分别指示没有分流器的最大和最小温度曲线。在具有分流器的情况下，稳态温度梯度更小，具有分流器的温度梯度在转换期间也很小。

图11是环境室1101的一部分1100的透视图，其完整组件的实施例在图14中示出。环境室1101可以安装到图10所示的装载框架100上，或者在合适的支撑件上邻近装载框架100，使得该部分1100对应于图10所示的环境室1012，在这种情况下，为了本发明的目的，环境室1101被认为是装载框架100的一部分。

在图11中，管道800被示出具有定位在开口801上方的分流器，例如分流器700。分流器700例如使用螺钉或其他适当的紧固装置在支架(standoff)1102处连接到管道800。管道800围绕延伸管1108的端部，其中延伸管1108与加热/冷却的空气流116气流连通。在一个实施例中，管道800通过延伸穿过槽1104的螺钉或其它适当的紧固装置连接到延伸管1108。在示出的实施例中，空气通路1110包括管道800和延伸管1108。在一个实施例中，用于朝向试样引导的空气的空气管道1110长度可调节，这在相对于试样调节分流器700的位置方面是有用的，这没有被示出。支架1102也具有槽1106，允许管道800相对于延伸管1108以例如可伸缩的形式可移动的安装。在一个实施例中，通过适当的回风装置(air return)，来自室104内部的回风在管道800周围的空间内。

图12为沿图11的线12-12截取的正视图。在该图中，分流器700未示出。空气流116通过延伸管1108和管道800、通过开口801被引导到环境室104中，其中在一些实施例中，开口801可以被分流器，例如分流器700覆盖。在一个实施例中，空气流，例如本文所描述的空气流116，由通过电动机1204驱动的风扇1202产生。在一个实施例中，加热器元件1206加热将被风扇1202吹送的空气。可以引入冷却空气代替加热的空气，对冷却空气的规定对于本领域技术人员来说是公知的，因此这里不做详细描述。

图13是沿图11的线13-13截取的正视图。在该图中未示出分流器700。管道800示出为安装到支架1102，该支架1102在一个实施例中还用作分流器(诸如分流器700(未示出))的安装件。

虽然本文所述的系统适用于所有类型的试样，但是它们对于弹性体或塑料试样特别适用和成本有效。

虽然已经在结构特征和/或方法动作方面用语言描述了本发明的主题，但是应当理解，所附权利要求中限定的主题并不必须被限定为这些特定的结构和动作，这一点已经被法院认定。相反，上述具体特征和动作被公开以作为实现权利要求的示例。