CN103091350B - 一种相变材料快速自动化热循环实验仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变材料快速自动化热循环实验仪器，包括同时带有冷液槽与热液槽的水槽，设置在冷液槽内的第一分隔壁，设置在热液槽内的第二分隔壁，设置在水槽内且与冷液槽、热液槽相隔离的电机，由电机驱动的第一样品牵引装载机构，由电机驱动的第二样品牵引装载机构，设置在冷液槽内的用于对冷液制冷的制冷装置，设置在热液槽内的用于对热液加热的加热装置和实现仪器进行自动运行的控制模块。优点：本实验仪器能效、时效高，完成额定循环次数的能耗少、速度快。传热液温度恒定、精确、可控。全程自动监控，自动化程度高，改变以往热循环实验手工化、效率低、精度低、可重复性差的情况。

Description

一种相变材料快速自动化热循环实验仪器

技术领域

本发明涉及一种相变材料快速自动化热循环实验仪器，尤其是一种应用于材料耐久性循环实验的相变材料快速自动化热循环实验仪器。

背景技术

相变材料是一种在使用温度时会发生液-气、固-气、固-液或者固-固相变的材料的总称。相变材料因为其优异的热物性能，在航空航天、军事、建筑、服装、太阳能领域越来越受到人们的重视。

并不是所有的相变材料都能在实际应用中使用，对相变材料的选择要遵循一定的规律和要求，其中有一项就是耐久性。相变材料在发生相变时会发生体积变化，有些相变材料还会产生过冷和相分离现象。这些变化都会或多或少的影响相变材料的长期耐久性，尤其是对于复合定形相变材料更为突出。由于复合定形相变材料是将相变材料集成在某个容器或者壳层中，不断的相变循环之后，因为体积变化产生的应力会对包裹层产生较大的影响。所以在相变材料投入实际应用之前有必要对其进行耐久性测试，对其多次凝固\熔化后的质量、储热值、相变点等技术参数进行研究。

传统的方法是手动将相变材料置于制冷容器中，待其完全凝固之后再将其放入烘箱中加热熔化循环，完成一个循环。这种方法实验时间长，实验偏差大，可重复性不好。中国专利CN102636512A介绍了一种自动化热循环装置，但是其采用循环冷热液体的方式，循环速度较慢，且要使用水泵，阀门等装置，实验速度较慢，传热液在不断循环过程中也会产生损失，能效不高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种能快速、简单、节能地完成材料热循环的实验的相变材料快速自动化热循环实验仪器。

本发明的技术方案是一种相变材料快速自动化热循环实验仪器，包括同时带有冷液槽与热液槽的水槽，设置在冷液槽内的第一分隔壁，设置在热液槽内的第二分隔壁，设置在水槽内且与冷液槽、热液槽相隔离的电机，由电机驱动的第一样品牵引装载机构，由电机驱动的第二样品牵引装载机构，设置在冷液槽内的用于对冷液制冷的制冷装置，设置在热液槽内的用于对热液加热的加热装置和实现仪器进行自动运行的控制模块；所述第一分隔壁与第二分隔壁上均开设有取样窗口；所述第一分隔壁上设有第一斜面；所述第二分隔壁上设有第二斜面。

作为本发明的进一步改进，还包括设置在第一分隔壁内且与第一分隔壁上的取样窗口同轴的取样抽屉和设置在第二分隔壁内且与第二分隔壁上的取样窗口同轴的取样抽屉。

作为本发明的进一步改进，所述第一样品牵引装载机构包括与电机相连的第一传动杆和通过第一弹簧与第一传动杆相连的第一样品室；所述第一样品室上设有与第一分隔壁上第一斜面相平行的第一样品室斜面。

作为本发明的进一步改进，所述第二样品牵引装载机构包括与电机相连的第二传动杆和通过第二弹簧与第二传动杆相连的第二样品室；所述第二样品室上设有与第二分隔壁上的第二斜面相平行的第二样品室斜面。

作为本发明的进一步改进，所述控制模块包括设置在冷液槽内的用来测量冷液槽内液体温度的第一温度传感器，设置在热液槽内的用来测量热液槽内液体温度的第二温度传感器，设置在第一样品室内的用来测量第一样品室内样品温度的第三温度传感器，设置在第二样品室内的用来测量第二样品室内样品温度的第四温度传感器，同时与第一温度传感器、第二温度传感器相连的用来控制冷液槽内的液体温度与热液槽内的液体温度的温度控制器，同时与第三温度传感器、第四温度传感器、电机相连的用来控制第一样品室内的样品温度、第二样品室内的样品温度和电机控制驱动信号的传动控制器和与传动控制器相连的用来记录样品相变次数与温度并将记录的信息输出的记录输出装置。

作为本发明的进一步改进，所述制冷装置包括设置在冷液槽内的冷凝管和与冷凝管相连的压缩机。

作为本发明的进一步改进，所述加热装置包括设置在热液槽内的传热管和与传热管相连的加热器。

作为本发明的进一步改进，所述记录输出装置为计算机或微处理机。

本发明的有益效果是：1、本实验仪器可以在设定上下限温度、循环次数的情况下，自动快速的进行热循环，极大的提高实验效率。2、本实验仪器可以采集试样温度，记录实验情况，并可最终输出时间-温度曲线。3、本实验仪器的实验温度范围为-60摄氏度到260摄氏度。4、本实验仪器能效、时效高，完成额定循环次数的能耗少、速度快。传热液温度恒定、精确、可控。可输出全程时间-温度曲线。全程自动监控，自动化程度高，改变以往热循环实验手工化、效率低、精度低、可重复性差的情况。

附图说明

图1是本发明的结构俯视示意图。

图2是第一样品室越过第一分隔壁时的俯视图。

图3是图2的A向视图。

图4是取出第一样品室样品的操作俯视图。

图5是图4的B向视图。

其中：1、压缩机，2、加热器，3、冷液槽，4、热液槽，5、冷凝管，6、传热管，7、电机，8、第一传动杆，9、第一样品室，9-1、第一样品室斜面，11、第一温度传感器，13、温度控制器，14、传动控制器，15、记录输出装置，16、第一弹簧，17、第一分隔壁，17-1、第一斜面，18、取样抽屉，19、取样窗口，20、水槽，21、第二分隔壁，22、第二传动杆，23、第二温度传感器，24、第三温度传感器。

具体实施方式

结合附图1-附图5对本发明进一步说明：

本发明的相变材料快速自动化热循环实验仪器，包括水槽20、第一分隔壁17、第二分隔壁21、第一样品牵引装载机构、第二样品牵引装载机构、制冷装置、加热装置、电机7和控制模块。如图1所示。

第一样品牵引装载机构包括第一传动杆8、第一弹簧16和第一样品室9。

第二样品牵引装载机构包括第二传动杆22，第二弹簧和第二样品室。

制冷装置包括冷凝管5和压缩机1。

加热装置包括传热管6和加热器2。

控制模块包括第一温度传感器11、第二温度传感器23、第三温度传感器24、第四温度传感器、温度控制器13、传动控制器14和记录输出装置15。

本发明的一种相变材料快速自动化热循环实验仪器的具体结构如下所述：

一种相变材料快速自动化热循环实验仪器包括同时带有冷液槽3与热液槽4的水槽20，设置在冷液槽3内的第一分隔壁17，设置在热液槽4内的第二分隔壁21，设置在水槽20内且与冷液槽、热液槽相隔离的电机7，由电机7驱动的第一样品牵引装载机构，由电机7驱动的第二样品牵引装载机构，设置在冷液槽3内的用于对冷液制冷的制冷装置，设置在热液槽4内的用于对热液加热的加热装置和实现仪器进行自动运行的控制模块；所述第一分隔壁17与第二分隔壁21上均开设有取样窗口19；所述第一分隔壁17上设有第一斜面17-1；所述第二分隔壁21上设有第二斜面。还包括设置在第一分隔壁17内且与第一分隔壁17上的取样窗口19同轴的取样抽屉18和设置在第二分隔壁21内且与第二分隔壁21上的取样窗口19同轴的取样抽屉18。如图4、图5所示。

本发明所述的水槽20为一个中空圆柱槽并且从中间隔开，其内壁包裹绝热保温材料。其电机7放置在中空的腔体内。

本发明的冷液槽3内设有一个样品测试点和一个备用点；热液槽4内同样设有一个样品测试点和一个备用点；当冷液槽3内的第一样品室9内的样品满足进入热液槽4内进行加热的条件时：如果热液槽4内第二样品室内样品也满足进入冷液槽3进行制冷的条件时，此时电机7同时给第一传动杆8和第二传动杆22的转动信号，使得第一样品室9转动到热液槽4的测试点的位置上，第二样品室转动到冷液槽3内的测试点的位置上：如果热液槽4内第二样品室内样品不满足进入冷液槽3进行制冷的条件时，则电机7会给第一传动杆8一个转动信号，使得第一样品室9转动到热液槽4内的备用点位置上，则此时第一样品室9与第二样品室都位于热液槽4内。也就是说，任何一个样品室转动进入另一个液槽时，首先考虑测试点，测试点若有其他样品室，则放置在备用点。如此重复实验。

电机7的启动和停止由传动控制器14控制。

传动控制器14在第一样品室9与第二样品室中的样品温度达到预设值之后发出转动指令，电机7带动第一传动杆8或第二传动杆22转动，或者电机7带动第一传动杆8与第二传动杆22同时转动，第一样品室9被第一传动杆8带入热液槽4；第二样品室被第二传动杆22带入冷液槽3。第一样品室9中样品温度由第三温度传感器24测试并通过导线传入传动控制器14，第二样品室中样品温度由第四温度传感器测试并通过导线传入传动控制器14。

本发明所述的取样抽屉18设计成长方体状，有一个可供样品室通过的缺口，实验时，取样窗口放在分隔壁上。实验结束时，样品室停在分隔壁的顶端，卡扣松开，样品室可以由取样抽屉取出。

制冷装置包括设置在冷液槽3内的冷凝管5和与冷凝管5相连的压缩机1。

加热装置包括设置在热液槽4内的传热管6和与传热管6相连的加热器2。

本发明中的冷液槽3中液体由冷凝管5对其进行冷却，其冷源为压缩机1；热液槽4中液体由传热管6加热，其热源为加热器2。压缩机1和加热器2由温度控制器13控制启动或停止。温度控制器13对比冷液槽3、热液槽4中的液体温度与预设值，当冷液槽3中液体温度高于预设值时压缩机1制冷，当热液槽4中的液体温度低于预设温度时加热器2加热。温度控制器13的温度数据由第一温度传感器11与的第二温度传感器23测试并通过导线传入。

第一样品牵引装载机构包括与电机7相连的第一传动杆8和通过第一弹簧16与第一传动杆8相连的第一样品室9；所述第一样品室9上设有与第一分隔壁17上第一斜面17-1相平行的第一样品室斜面9-1。第一样品室9挂在第一传动杆8的顶端，第一传动杆8由电机7带动，顺时针旋转。第一样品室9上的第一样品室斜面9-1与第一分隔壁17上的第一斜面17-1相平行，在传动时，两斜面接触，横向的传动力产生抬升力，将第一样品室9向上抬起。第一传动杆8与第一样品室9之间有第一弹簧16链接。第一弹簧16通过一个卡扣链接样品室。实验进行过程中，卡扣卡紧，样品被传动杆带动不断循环实验。第一弹簧16的自由长度为当第一样品室9处在第一分隔壁17顶端时第一传动杆8至第一样品室9顶端的距离。弹性模量达到以下要求：第一样品室9中不放样品时，第一弹簧16刚好可完全浸入冷液槽中的液体内，放满样品时(取样品质量上限)样品不接触液槽底部为宜。第一弹簧16浸没在液体中时，第一弹簧16拉伸，经过第一分隔壁17时，第一样品室9向上移动，第一弹簧16收缩。如图2、图3所示。

第二样品牵引装载机构包括与电机7相连的第二传动杆22和通过第二弹簧与第二传动杆22相连的第二样品室；所述第二样品室上设有与第二分隔壁21上的第二斜面相平行的第二样品室斜面。第二样品室挂在第二传动杆22的顶端，第二传动杆22由电机7带动，顺时针旋转。第二样品室上的第二样品室斜面与第二分隔壁21上第二斜面相平行，在传动是，两斜面接触，横向的传动力产生抬升力，将第二样品室向上抬起。第二传动杆22与第二样品室之间有第二弹簧链接。第二弹簧通过一个卡扣链接样品室。实验进行过程中，卡扣卡紧，样品被传动杆带动不断循环实验。第二弹簧的自由长度为当第二样品室处在第二分隔壁21顶端时第二传动杆22至第二样品室顶端的距离。弹性模量达到以下要求：第二样品室中不放样品时，第二弹簧刚好可完全浸入热液槽中的液体内，放满样品时(取样品质量上限)样品不接触液槽底部为宜。第二弹簧浸没在液体中时，第二弹簧拉伸，经过第二分隔壁21时，第二样品室向上移动，第二弹簧收缩。如图3所示。

控制模块包括设置在冷液槽3内的用来测量冷液槽3内液体温度的第一温度传感器11，设置在热液槽4内的用来测量热液槽4内液体温度的第二温度传感器23，设置在第一样品室9内的用来测量第一样品室9内样品温度的第三温度传感器24，设置在第二样品室内的用来测量第二样品室内样品温度的第四温度传感器，同时与第一温度传感器11、第二温度传感器23相连的用来控制冷液槽3内的液体温度与热液槽4内的液体温度的温度控制器13，同时与第三温度传感器24、第四温度传感器、电机相连的用来控制第一样品室9内的样品温度、第二样品室内的样品温度和电机控制驱动信号的传动控制器14和与传动控制器14相连的用来记录样品相变次数与温度并将记录的信息输出的记录输出装置15。如图1所示。

本发明所述的记录输出装置15为现有技术中的计算机或微处理机，其具体的结构本发明不做详细的描述。记录输出装置15记录样品相变次数和温度变化曲线。实验前在记录输出装置15上设定循环次数，在达到设定的次数后装置蜂鸣提醒实验员并存储结果。记录输出装置与传动控制器由导线相连，记录传动次数为相变次数和样品温度信息。

本发明所述的压缩机1和加热器2也均为现有技术中的压缩机和加热器，其具体的结构本发明也不做详细的描述。

本发明所述的第一温度传感器11、第二温度传感器23、第三温度传感器24和第四温度传感器均为现有技术中能测量液体温度的热电偶，其具体的结构本发明也不做详细的描述。

本发明所述的温度控制器13、传动控制器14为单片机或者将温度控制器、传动控制器和记录输出器由一台微型计算机通过编程实施。

本发明的工作过程如下所述：

将样品放入第一样品室和第二样品室，第一样品室和第二样品室放入取样抽屉，通过取样窗口19分别放置在第一分隔壁与第二分隔壁上。分别在冷液槽与热液槽中的加入液体。

在温度控制器13上设定冷液槽与热液槽的温度，冷液槽3的温度低于相变材料的凝固点，热液槽4高于相变材料的熔化点。

在传动控制器14上设定传动温度，以在热液槽中时样品温度高于相变材料的熔化点低于热液槽的温度设定点为宜，在冷液槽中时样品温度低于相变材料的凝固点高于冷液槽的设定温度为宜。

在记录输出装置15上设定循环次数。

按下记录输出装置上的开始。实验仪器开始热循环过程。

以下的过程为仪器自动完成。

温度控制器13判断第一温度传感器与第二温度传感器传来的冷液槽与热液槽中的液体温度：若热液槽中的液体温度低于设定温度则启动加热器2加热热液槽中液体；若冷液槽中液体温度高于设定温度则启动压缩机1制冷冷液槽中液体。直到热液槽中液体温度略高于设定温度，冷液槽中液体温度略低于设定温度则加热器和压缩机停止工作。加热与制冷系统相互独立、互不影响。

第一样品室9浸泡在液体中被不断加热或冷却，第一样品室9中的样品在达到相变点中发生相变。当冷液槽3内的第一样品室9内的样品满足进入热液槽4内进行加热的条件时：如果热液槽4内第二样品室内样品也满足进入冷液槽3进行制冷的条件时，此时电机7同时给第一传动杆8和第二传动杆22的转动信号，使得第一样品室9转动到热液槽4的测试点的位置上，第二样品室转动到冷液槽3内的测试点的位置上：如果热液槽4内第二样品室内样品不满足进入冷液槽3进行制冷的条件时，则电机7会给第一传动杆8一个转动信号，使得第一样品室9转动到热液槽4内的备用点位置上，则此时第一样品室9与第二样品室都位于热液槽4内。也就是说，任何一个样品室转动进入另一个液槽时，首先考虑测试点，测试点若有其他样品室，则放置在备用点。如此重复实验。样品的传动次数和温度时间曲线被记录输出装置全程实时记录下来。如此循环往复直到达到实验设定次数，此时停止实验，第一传动杆将第一样品室9停放在第一分隔壁17的顶端，卡扣松开，可在此时通过取样抽屉18取出第一样品室9，拿出样品。第二传动杆22将第二样品室停放在第二分隔壁21的顶端，卡扣松开，可在此时通过取样抽屉18取出第二样品室，拿出样品。全程时间-温度曲线存储在记录输出装置15中备用。

实验结束后可取出样品做进一步测试，放出传热液体以备下一次实验，导出时间-温度曲线做分析。

实施例：

膨胀石墨/蒙脱土/石蜡插层复合相变材料的热耐久性实验

已通过差示量热扫描仪测得材料的相变范围为27-29摄氏度，潜热值为160kJ/kg，由热常数分析仪测的导热系数为1.6W/mk。在温度控制器上设定热液槽温度50摄氏度，冷液槽温度5摄氏度；在传动控制器14上设置热液槽4传动温度为40摄氏度，冷液槽3传动温度10摄氏度，在记录输出装置15设置相变次数为500次。取样品20g，每个样品室中放10g，将第一样品室9和第二样品室分别放入各自的取样抽屉18，并放置在第一分隔壁17和第二分隔壁21上。从进液口向冷液槽3、热液槽4中加入适量的传热液体——水。按下记录输出装置上的开始按钮，仪器开始工作。到达设定循环次数后，蜂鸣器报警，机器加热模块停止工作，传动控制器14控制第一传动杆8与第二传动杆22将第一样品室9与第二样品室分别放置在各自的取样位置的第一分隔壁17与第二分隔壁21上。从取样窗口19抽出取样抽屉18，分别拿出第一样品室9与第二样品室中的样品，放入指定样品袋，放出传热液体保存好备下次实验使用，导出时间-温度曲线。

在此实例中，完成一次循环大概需要5分钟，完成500次循环大约需要42小时，两天不到可完成实验，省时。实验过程不需要人工看管，仪器自动完成，省力。实验中传热液不需要移动，热量不损失，节省能源。仪器温度控制、次数计算精准，且可输出时间-温度曲线，实验精确、可重复性高。

以上说明仅用于说明本发明，各部件的结构和传动方式都是可以改变的，任何本专业内的人员在本发明的基础上进行的变换和改进，均不排除在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相变材料快速自动化热循环实验仪器，其特征在于：包括同时带有冷液槽(3)与热液槽(4)的水槽(20)，设置在冷液槽(3)内的第一分隔壁(17)，设置在热液槽(4)内的第二分隔壁(21)，设置在水槽(20)内且与冷液槽、热液槽相隔离的电机(7)，由电机(7)驱动的第一样品牵引装载机构，由电机(7)驱动的第二样品牵引装载机构，设置在冷液槽(3)内的用于对冷液制冷的制冷装置，实现仪器进行自动运行的控制模块和设置在热液槽(4)内的用于对热液加热的加热装置；所述第一分隔壁(17)与第二分隔壁(21)上均开设有取样窗口(19)；所述第一分隔壁(17)上设有第一斜面(17-1)；所述第二分隔壁(21)上设有第二斜面；

其中，所述第一样品牵引装载机构包括与电机(7)相连的第一传动杆(8)和通过第一弹簧(16)与第一传动杆(8)相连的第一样品室(9)；所述第一样品室(9)上设有与第一分隔壁(17)上第一斜面(17-1)相平行的第一样品室斜面(9-1)；

所述第二样品牵引装载机构包括与电机(7)相连的第二传动杆(22)和通过第二弹簧与第二传动杆(22)相连的第二样品室；所述第二样品室上设有与第二分隔壁(21)上的第二斜面相平行的第二样品室斜面；

所述控制模块包括设置在冷液槽(3)内的用来测量冷液槽(3)内液体温度的第一温度传感器(11)，设置在热液槽(4)内的用来测量热液槽(4)内液体温度的第二温度传感器(23)，设置在第一样品室(9)内的用来测量第一样品室(9)内样品温度的第三温度传感器(24)，设置在第二样品室内的用来测量第二样品室内样品温度的第四温度传感器，同时与第一温度传感器(11)、第二温度传感器(23)相连的用来控制冷液槽(3)内的液体温度与热液槽(4)内的液体温度的温度控制器(13)，同时与第三温度传感器(24)、第四温度传感器、电机相连的用来控制第一样品室(9)内的样品温度、第二样品室内的样品温度和电机控制驱动信号的传动控制器(14)和与传动控制器(14)相连的用来记录样品相变次数与温度并将记录的信息输出的记录输出装置(15)。

2.根据权利要求1所述的相变材料快速自动化热循环实验仪器，其特征在于：还包括设置在第一分隔壁(17)内且与第一分隔壁(17)上的取样窗口(19)同轴的取样抽屉(18)和设置在第二分隔壁(21)内且与第二分隔壁(21)上的取样窗口(19)同轴的取样抽屉(18)。

3.根据权利要求1或2所述的相变材料快速自动化热循环实验仪器，其特征在于：所述制冷装置包括设置在冷液槽(3)内的冷凝管(5)和与冷凝管(5)相连的压缩机(1)。

4.根据权利要求1或2所述的相变材料快速自动化热循环实验仪器，其特征在于：所述加热装置包括设置在热液槽(4)内的传热管(6)和与传热管(6)相连的加热器(2)。

5.根据权利要求1所述的相变材料快速自动化热循环实验仪器，其特征在于：所述记录输出装置(15)为计算机或微处理机。