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的制作方法

本发明涉及材料力学测试技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明采用的技术方案是：

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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，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。

本发明中，所述测试腔还设有电控加热器和温度计。

本发明中，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，本发明的有益效果是：

本发明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是本发明的系统示意图；

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是本发明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；47一级冷头；48导热热桥；49一级冷端换热器；50冷头；51下法兰；52对中调节环；53下主轴；54外波纹管密封；55一级对流式换热器；56支撑框架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的进行进一步详细描述，但是所描述的实施例是本发明的部分实施例，不是全部。基于本发明的实施例，本领域的技术人员非创造性劳动的其他实施例都属于本发明保护的范围。

如图2所示，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冷媒循环系统、低温制冷机44、真空绝热杜瓦腔和万能试验机1-1，其中冷媒循环系统的作用是将低温制冷机44产生的冷量高效、均匀地传递到待测试样23上，低温制冷机44用于提供低温下的冷量，真空绝热杜瓦腔是为冷媒循环系统、低温制冷机44和待测试样23提供绝热环境并减少环境漏热，而万能试验机1-1的作用是提供力学性能测试所需的力学载荷。

冷媒循环系统包括循环泵6、高压储气罐4、一级对流式换热器55、一级冷端换热器49、二级对流式换热器46、二级冷端换热器43、喷嘴29、测试腔27、四通13、低压储气罐8、氦气瓶9，以及设于各节点的截止阀5、3、15、14、11、7；循环泵6的出口、高压储气罐4、截止阀3、流量控制计2、一级对流式换热器55的高压侧、一级冷端换热器49的冷媒侧、二级对流式换热器46的高压侧、二级冷端换热器43的冷媒侧、喷嘴29、测试腔27、二级对流式换热器46的低压侧、一级对流式换热器55的低压侧、截止阀15、四通13、低压储气罐8、截止阀7以及循环泵6进口依次通过管路形成闭合循环回路；冷媒为氦气，在该闭合循环回路中流动；循环泵6为无油泵，避免污染冷媒氦气，其作用是驱动冷媒循环；高压储气罐4的作用是稳定氦气循环的压力在3～5bar的范围，并在更换试样时储存氦气循环管路中的氦气；低压储气罐8的作用是稳定氦气循环的压力在1～3bar的范围；高压储气罐4上设有压力传感器16和安全阀17，低压储气罐8上设有压力传感器12，压力传感器16和压力传感器12分别用于监测冷媒循环高压侧和低压侧的压力，而安全阀17的作用是冷媒循环超压时能够提供安全泄放；流量控制仪2用于监测并控制冷媒循环的流量和压力；氦气瓶9瓶口设有减压阀10，然后通过减压阀11与冷媒循环的四通13用管路相连，其作用是为冷媒循环提供冷媒氦气，并在更换试样时对冷媒循环管路提供氦气用于吹扫置换；四通13还通过截止阀14与三通33相连，从而可以使用真空泵34对冷媒循环管路进行抽真空置换；一级对流式换热器55和二级对流式换热器46的作用是利用冷媒循环回流的冷氦气对氦气循环泵所泵送出来的热氦气进行预冷，提高了制冷机冷量的利用率；一级冷端换热器49与一级冷头47热耦合连接，二级冷端换热器43与二级冷头45热耦合连接，两者的作用都是将低温制冷机产生的冷量传递给冷媒；喷嘴29位于测试腔27内且指向待测试样23，其作用是将冷媒喷到待测试样上，通过强制对流的换热方式将冷媒所携带的冷量传递给待测试样23，平衡测试过程中待测试样23上由机械功转化而来的热耗散以及各种漏热；测试腔27的腔壁为不锈钢材料，其上部通过连接管30与真空绝热杜瓦腔的上法兰40相连，为冷媒和待测试样23之间的强制对流热交换提供封闭的绝热空间；内波纹管密封18与测试腔27底部通孔相连，其作用是为下主轴53提供轴向密封，防止测试腔19中的冷媒氦气进入真空绝热杜瓦腔内，并保证通过对中调节环52微调下主轴53水平位置和轴向角度，来实现上主轴39和下主轴53对中度的同时仍然能够提供有效密封；在待测试样23的测试段上端、中部和下端分别布置有三支温度计41，用于监测待测试样23测试段的温度；待测试样23的测试段上端和下端分别布置有两个电加热装置22，用于加热待测23以控制待测试样23测试段的温度；待测试样测试段还布置有引伸计24，用于测量应变。

低温制冷机为二级g-m制冷机，包括制冷压缩机44和冷头50，冷头50包括一级冷头47和二级冷头45；冷头通过法兰与真空绝热腔下法兰连接并伸入真空绝热腔内；一机冷头47和二级冷头45分别在两个温度tc,1和tc,2提供冷量。

真空绝热腔包括支撑框架56、下法兰51、筒体27、上法兰40，其作用是为冷媒循环系统、低温制冷机和待测试样提供绝热环境；真空绝热腔底的腔体由下法兰51、筒体27和上法兰40依次连接构成，其底部设有支撑框架56，置于万能试验机的底座1之上；真空绝热腔通过真空管路、真空隔板阀32以及三通33与真空泵相连；为了进一步减少漏热，真空绝热腔内还设有辐射屏28和导热热桥48；辐射屏28位于真空绝热腔和测试腔之间，其外表面包裹有多层绝热材料20，并与低温制冷机一级冷头47热耦合连接；导热热桥48为导热金属或者热管，为低温制冷机一级冷头47和上主轴39及下主轴53中部位置提供热耦合连接；测试腔27、辐射屏28和真空绝热腔筒体19的同一侧面均设有开门(测试腔侧开门26、辐射屏侧开门25和真空绝热腔侧开门21)，其作用是依次打开之后为更换试样提供通道；上主轴轴向动密封31连接连接管30与真空绝热腔上法兰39，其作用是为上主轴39提供轴向动密封，防止测试腔27中的氦气泄露至大气中，并保证上主轴39上下自由移动过程中任然能够提供有效密封；外波纹管密封54与真空绝热腔下法兰51上的通孔相连，其作用是为下主轴53提供轴向密封，防止大气中的空气泄露进入真空绝热腔，并保证通过对中调节环52微调下主轴53水平位置和轴向角度来实现上主轴39和下主轴53对中度的同时仍然保证有效密封。

万能试验机包括底座1、支撑杆37、横梁35、作动器36、力学传感器38、上主轴39、下主轴53以及试样夹具41；支撑杆37垂直设于底座1上；横梁35设于两根支撑杆37之间，平行于底座1。横梁35可以沿支撑杆37上下移动，其作用是根据不同的待测试样23和试样夹具41调节上主轴39和下主轴53之间的距离，并为作动器36提供支撑平台；作动器36设于横梁中部，其作用是将上下位移和载荷力传递到上主轴39上；上主轴39上端通过力学传感器38与作动器36相连，其作用是将上下位移和载荷力通过其下端相连的试样夹具41传递给待测试样23的上端；力学传感器38的作用是测量载荷力的大小；下主轴53下端通过对中调节环52垂直设于底座1上，上端与试样夹具41相连，其作用是通过其上端的试样夹具41固定待测试样23的下端；对中调节环52其作用是调节上主轴39和下主轴53的对中度；试样夹具41与上主轴39下端和下主轴53上端相连，用于夹持待测试样23；试样夹具41根据不同的测试需求可以是不同的夹具类型，以安装例如拉伸、压缩、弯曲、剪切、疲劳或断裂韧性测试试样。

下面结合附图来具体说明本发明提供的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的工作过程：

a安装或更换待测试样23：

a1关闭低温制冷机44、循环泵6和真空泵34；

a2关闭截止阀3、5、7、11和14，关闭真空隔板阀32，打开截止阀15；

a3依次打开真空绝热腔筒体侧开门21、辐射屏侧开门25和测试腔侧开门26，将原先安装在试样夹具41上面的待测试样23取下；

a4调节上主轴39的上下位置，将新的待测试样23安装在试样夹具41上，并安装好引伸计24；

a5依次关闭测试腔侧开门26、辐射屏侧开门25和真空绝热腔筒体侧开门21；

b冷媒循环管路抽真空/吹扫/置换：

b1打开截止阀14，打开真空泵34，对冷媒循环管路抽真空，直至真空度达到1e-2pa以下，关闭截止阀14；

b2调节减压阀10使得出口压力为15atm左右，然后打开截止阀11，使纯净的氦气进入冷媒循环管路，当压力传感器12的读数达到12atm左右时，关闭截止阀11，让系统静置3-5分钟；

b3缓缓打开截止阀14，对冷媒循环管路再次抽真空；

b4继续重复上述充气和抽真空的置换流程两次；

b5关闭截止阀14，打开截止阀3、5和7，让存储在高压储气罐4中的氦气扩散至整个冷媒循环管路中；

c降温：

c1打开真空隔板阀，用真空泵34对真空绝热腔进行抽真空；

c2当真空度达到1e-2pa以下时，打开低温制冷机和循环泵6；

此时低温制冷机44的一级冷头47通过导热热桥对上主轴39和下主轴53中部进行预冷，并对辐射屏28及其外表面包裹的多层绝热材料20进行冷却；冷媒氦气在循环泵6的泵送之下在冷媒循环管路中循环：被压缩至高压的氦气首先进入高压储气罐4，然后通过截止阀3和流量控制计2，进入一级对流式换热器55被回流的冷氦气预冷，随后进入一级冷端换热器49被一级冷头47继续冷却，接着进入二级对流式换热器46被回流的更低温度的冷氦气再次预冷，而后再进入二级冷端换热器被二级冷头45冷却，最终充分冷却的氦气通过喷嘴29喷入测试腔27，然后先后经过两个对流式换热器和低压储气库8返回到循环泵6；随着制冷机冷头温度不断降低，氦气循环有效地将冷量传递到测试腔和待测试样使得其温度快速下降。

c3当待测试样23的温度低于待测温度时，可通过pid控制的方式控制待测试样上的加热器22对试样进行加热，从而将试样温度稳定在待测温度上；

c4等待系统直至待测试样23的温度以及加热器22的功率稳定5分钟以上；

d力学性能测试：

d1启动万能试验机进行相应的力学性能测试

e复温：

e1待力学性能测试完毕之后，关闭低温制冷机，保持循环泵6和真空泵34继续运行，开启各加热器加速复温，直至各部件上温度计显示为室温；

f冷媒循环氦气回收：

f1关闭截止阀3，保持循环泵6继续运行，直至压力表12绝对压力读数为1e-1pa左右，将截止阀5和7关闭；

此时，循环泵6将冷媒循环管路中绝大部分氦气泵送至高压储气罐4中，剩余管路中仅剩少量残余氦气，因此在后续更换试样打开测试腔侧开门26时，只会损失少量氦气，而高压储气罐4中的氦气仍然能够在下一次试验中继续使用。

由此可见，本发明采用低温制冷机作为冷源，循环氦气作为冷媒的液氢温区材料力学测试平台，实现液氢温度(-253℃)至室温(20℃)大温度范围内任意温度环境下的材料力学测试(拉伸、压缩、弯曲、剪切、疲劳、断裂韧性等准静态力学性能测试)。因此，本发明主要用于液氢温区下对待测试样进行材料力学测试，本发明采用低温制冷机和循环氦气的制冷方式，极大地拓展材料力学测试的温度范围，提升温控精度和稳定性，并极大程度得降低测试成本。

综上所述，本发明提供了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，循环氦气减少了氦气资源的浪费，并利用氦气循环泵将氦气集中回收至气库，真空绝热杜瓦腔内形成真空，从而减少与外界环境的热交换，以满足试样的温度要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；本实施例的技术方案可以进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换；但修改和替换不能脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。