一种适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置的制作方法

本实用新型属于材料力学领域，具体涉及一种适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置。

背景技术：

在现代工业社会，复合材料和聚合物的应用与人类进步发展密不可分，涉及航空航天的能源物质开发，机械结构组件性能拓展以及生物组织损伤修复等诸多领域。而复合材料和聚合物在各种温度下的动态力学性能研究是上述课题的理论基础。虽然工业恒温箱可以实现对材料试件的加温和冷却，但其和材料动态力学性能测试装置——霍普金森杆系统不兼容，即待试件保持在目标温度一定时间后取出再夹于入射杆和透射杆之间。在此过程中，试件难免有温度变化，给测试结果带来误差，包含高低温箱的霍普金森杆系统由此提出。

目前，高温箱较易实现，主要利用温控电路调节箱内均布的陶瓷加热片工作与否使箱内温度长时间保持在目标值。有的低温箱利用半导体制冷片冷却箱内空间，但其缺点之一是对环境温度要求严苛，当环境温度高于某一值时，无法制冷；之二是可实现的低温有下限，无法用于全面获取材料低温动态力学性能数据。另有的低温箱以液氮为冷源冷却箱内空间，但结构复杂，装置庞大，应用受限。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置，解决了现有液氮低温箱和半导体低温箱应用受限问题，为低温动态力学实验的进一步普及奠定技术基础。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置，包括内壳、外壳、内盖板、外盖板、保温板、两个连接螺栓、两个螺母，保温塞、套管、风扇、若干个导冷块和三个温度计；内壳和外壳均为无端盖的长方体，内壳设置在外壳内，两者之间夹有空气层；在内壳和外壳面积最小的两个面中心分别设有一个贯穿内壳和外壳的第一通孔，两个连接螺栓分别设置在两端的第一通孔内；所述连接螺栓沿其中心轴线设有一个第二通孔，连接螺栓头部卡在外壳的外壁面，螺杆伸入内壳，并用螺母紧固，螺母旋紧后卡在内壳的内壁面，内盖板设置在内壳内，且位于螺母顶面；外盖板设置在内壳的无盖端顶面，与外壳内壁接触；内盖板和外盖板之间填充保温板，且保温板粘在外盖板上；在内盖板的任意一个角上开有一个圆形的液氮注入口；霍普金森入射杆自一个连接螺栓的第二通孔伸入内壳顶住待测试件，霍普金森透射杆自另一个连接螺栓的第二通孔伸入内壳顶住待测试件，套管将霍普金森入射杆近待测试件端、霍普金森透射杆近待测试件端和待测试件包裹，三个温度计沿周向均匀分布在套管的外壁；若干个导冷块设置在内壳底面，风扇固定在内壳内壁面，外壳的外壁面及外盖板的顶面包裹保温板，霍普金森入射杆和霍普金森透射杆伸出保温板的部分套有保温塞，保温塞与保温板接触。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点在于：（1）结构简单，操作快捷，经济实用；

（2）对工作环境温度没有限制。

附图说明

图1为利用本实用新型进行霍普金森压杆实验的系统结构图。

图2为本实用新型适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置的主视图。

图3为本实用新型适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置的剖视图。

图4为本实用新型霍普金森杆夹持待测试件部分的局部放大图，其中（a）为主视图，（b）为侧视图。

具体实施方式

本实用新型适用于霍普金森压杆实验和霍普金森拉杆实验。下面霍普金森压杆实验为例，结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

结合图1，撞击杆14、测速仪15、整形片16、霍普金森入射杆17、待测试件18、霍普金森透射杆19及吸收杆20组成霍普金森压杆实验系统。霍普金森入射杆17和霍普金森透射杆19上分别粘贴一个半导体应变片21。半导体应变片21连接至惠斯顿电桥22组成惠斯顿电路，其采集到的信号传至超动态应变仪23放大处理，最终由示波器24显示并记录下来。液氮冷却装置13中心位置设置在对齐的霍普金森入射杆17和霍普金森透射杆19接触界面处，便于内壳内部在冷却过程中，形成以待测试件18为中心的规则温度场。液氮罐25内储存液氮。液氮壶26内盛放适量液氮。

结合图2、图3和图4，一种适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置16，包括内壳1、外壳2、内盖板3、外盖板4、保温板5、两个连接螺栓6、两个螺母7，保温塞8、套管9、风扇10、若干个导冷块11和三个温度计12。内壳1和外壳2均为无端盖的长方体，内壳1设置在外壳2内，两者之间夹有空气层，利于保温内壳1；在内壳1和外壳2面积最小的两个面中心分别设有一个贯穿内壳1和外壳2的第一通孔，两个连接螺栓6分别穿过所述第一通孔内，连接螺栓6头部卡在外壳2的外壁面，螺杆伸入内壳1，并用螺母7紧固。螺母7旋紧后卡在内壳1的内壁面，所述连接螺栓6沿其中心轴线设有一个第二通孔；内盖板3设置在内壳1内，且位于螺母7顶面，通过螺母7支撑；外盖板4设置在内壳1的无盖端顶面，与外壳2内壁接触；内盖板3和外盖板4之间填充保温板5，且保温板5粘在外盖板4上；在内盖板3的任意一个角上开有一个圆形的液氮注入口，霍普金森入射杆17自一个连接螺栓6的第二通孔伸入内壳1顶住待测试件18，霍普金森透射杆9自另一个连接螺栓6的第二通孔伸入内壳1顶住待测试件18，套管9将霍普金森入射杆17近待测试件18端、霍普金森透射杆9近待测试件18端和待测试件18包裹，利于防止待测试件18受潮；三个温度计12沿周向均匀分布在套管9的外壁，用于实时测量待测试件18周围的环境温度；若干个导冷块11设置在内壳1底面，增加内壳1蓄冷和导冷能力；风扇10固定在内壳1内壁面，利于内壳1内部规则温度快速形成；外壳2的外壁面及外盖板4的顶面包裹保温板5，霍普金森入射杆17和霍普金森透射杆19伸出保温板5的部分套有保温塞8，保温塞8与保温板5接触。

内壳1、外壳2、内盖板3、外盖板4及导冷块11材料为铝。

套管9为薄壁透明体，材料为聚乙烯。

内壳1和外壳2内部各处温度不一定相同。

制冷源为液氮，液氮汽化吸热，冷却内壳及其内部空气，进而冷却待测试件[11]。

待测试件[11]所有表面涂抹一薄层凡士林，利于防止待测试件[11]受潮。

通过控制注入液氮质量和频率，可以实现待测试件18周围温度在一定时间内保持在目标值附近一定范围内。

采用本实用新型所述的适用于低温动态力学实验的液氮冷却装置进行液氮冷却的操作步骤为：

步骤1、进行第一次氮冷却操作前，确保内壳1和内盖板3无水渍。

步骤2、液氮冷却装置中心位置设置在已对齐的霍普金森入射杆17和霍普金森透射杆19的接触界面处。

步骤3、待测试件18的外表面均涂抹凡士林。

步骤4、打开内盖板3和外盖板4，在霍普金森入射杆17和霍普金森透射杆19之间设置待测试件18，套管9将霍普金森入射杆17近待测试件18端、霍普金森透射杆9近待测试件18端和待测试件18包裹，盖上内盖板3；霍普金森入射杆17和霍普金森透射杆19伸出保温板5的部分套上保温塞8。

步骤5、从液氮罐25向液氮壶26内倒入大量液氮。

步骤6、通过液氮壶26由液氮注入口向内壳1内缓慢倒入一定量液氮后，盖上外盖板4，等待内壳1内部建立起规则的温度场；观察三个温度计12示数，三个温度计12示数之间差值在2℃以内，且待测试件18处平均温度下降10℃左右。

步骤7、重复步骤6，直至待测试件18处温度为-43℃左右。

步骤8、等待数十秒，当待测试件18处温度逐渐上升至-38~-40℃时，打开外盖板4，通过液氮壶26由液氮注入口向内箱体缓慢注入少许液氮，盖上外盖板4。数十秒后，待测试件18处温度将下降至-40~-42℃。此时，认为待测试件18在目标温度-40℃的低温环境内冷却。

步骤9、根据需要从液氮罐25向液氮壶26内补充适量液氮，重复步骤8，直至达到需要的冷却时长(对于霍普金森杆实验的试件体积而言，通常冷却数分钟后，试件内部均匀地达到目标温度)。

步骤10、取下保温塞8，进行霍普金森实验。

步骤11、实验结束后，打开外盖板4和内盖板3，取出套管9和待测试件18。

步骤12、重复步骤3-11，进行下一次实验。