CN103940691B - 一种相变材料冷热循环实验仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变材料冷热循环实验仪器。包括用于支撑导轨和充当样品室轨道的支架，用于带动样品室运动的导轨，用于控制导轨并将样品数据上传至计算机的单片机，用于监控、计数和判断实验状态的计算机。本发明优点:本实验仪器创造性的增加了固定相变材料相变时间恶化程度的情况下进行循环实验的模式，能耗低，全程自动化，且完成一定循环次数速度快，温度测定精确，各部分模块化易于维修。

Description

一种相变材料冷热循环实验仪器

技术领域

本发明属于相变材料热耐久性测试技术领域，特别涉及一种相变材料冷热循环实验仪器。

背景技术

相变材料广义的来说是在特定温度时会发生物态变化的材料的总称。实际情况中，目前能应用到实际中的相变材料需要满足以下几点：

1)蓄热量大。相变潜热高，在相变过程中能储存或释放更多的热量。

2)相变温度适宜。温度必须适合具体应用的要求。

3)形核率高，凝固时无过冷现象，熔化和凝固基本在同一温度区间。

4)适宜的导热系数。大多数场合要求相变材料具有较高的导热率，以使热量可以快速地储存和释放。

5)稳定性好，相变过程必须完全可逆，在多组分时，各组分间的结合要牢固，不能发生离析、分解及其它变化。

6)相变材料的密度大，比热容大，膨胀收缩性小，可以降低容器成本。

7)无毒、无腐蚀，不易燃易爆，对建筑物或包裹材料无破坏作用。

8)在冷、热状态下或固、液状态下，材料的体积变化小，不发生过冷(或过冷度很小)现象。

9)来源丰富、价格便宜，方便回收再利用，生态友好、使用寿命长。

耐久性是相变材料一项非常重要的性能。相变材料在相变时还可能发生体积变化、相分离等现象。在现实应用中的相变材料，特别是复合相变材料，因为内部相变材料的体积变化会对外层的包裹层产生循环的往复应力，久而久之，外层的包裹材料就会产生疲劳、裂缝，导致内层的相变材料泄漏，从而引起相变材料热性能的变化。所以，研究相变材料的耐久性对于相变材料的推广、应用有着重要的意义。

传统手工操作时，一般通过将相变材料循环置于冷热介质中达到冷热循环的目的。这样的实验方式不够精确，误差大，耗时长。目前相关研究的实验装置存在设计较复杂，集成度高但没有使用模块化理念，维修难度大的缺点。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能自动地完成材料热循环的相变材料冷热循环实验仪器。并且此仪器采用模块化设计，简单易维护。

技术方案：本发明提供的一种相变材料冷热循环实验仪器，包括丝杆滑台、支撑丝杆滑台的架台、位于丝杆滑台中的滑块、分别位于滑块两侧的第一红外传感器和第二红外传感器、位于丝杆滑台上驱动滑块运动的电机、与电机相连的单片机、与单片机通过信号传输线连接的计算机，所述架台上设有轨道，轨道上设有样品室，所述滑块上挂载温度探头，所述温度探头插于所述样品室中；所述第一红外传感器和第二红外传感器输出检测信号至单片机；所述温度探头输出检测信号至单片机；所述单片机输出控制信号至电机。

进一步地，所述架台两侧分别设有第一斜面和第二斜面。

进一步地，所述第一斜面置于热水浴槽中，所述第二斜面置于冷水浴槽中。

进一步地，所述样品室可以是一个或者多个。

其中，第一红外传感器检测滑块在右边的行进距离，第二红外传感器检测滑块在左边的行进距离，温度探头探测样品室中样品的温度，第一红外传感器和第二红外传感器输出检测信号至单片机；温度探头输出检测信号至单片机，单片机将滑块位置、状态、温度探头的检测数据传输至计算机，由计算机通过程序综合处理之后做出判断，电机的运动指令由单片机下发。

一种相变材料冷热循环实验控制方法，包括以下两种模式：

模式一：

步骤一，设定冷水浴限温、热水浴限温、循环次数；

步骤二，判定循环次数是否达标，是则终止实验，否则至步骤三；

步骤三，判定样品室位置是否在冷水浴槽中，是则检测样品室中样品温度，否则将样品室移动至冷水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温，是则样品室移动到热水浴槽中并至步骤四，否则继续判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温；

步骤四，判定样品室是否在热水浴槽中，是则检测样品室中样品温度，否则将样品室移动至热水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温，是则至步骤二，否则继续判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温；

模式二：

步骤一，设定冷水浴限温、热水浴限温、恶化程度；

步骤二，判定相变时间是否达标，是则终止实验，否则至步骤三；

步骤三，判定样品室位置是否在冷水浴槽中，是则开始测温并计时，否则移动样品室位置至冷水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温，是则样品室移动到热水浴槽中并至步骤四，否则继续判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温；

步骤四，判定样品室是否在热水浴槽中，是则检测样品室中样品温度，否则将样品室移动至热水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温，是则至步骤二，否则继续判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温。

其中，上述冷水浴限温低于相变材料相变点2～5℃，所述热水浴限温高于相变材料的相变点2～5℃。

其中，上述恶化程度是指某一次相变时间占第一次相变时间的百分数。

有益效果：相对于现有技术，本发明的优点：

1、本发明实验仪器可以在设定上下限温度、循环次数或者恶化程度的情况下，自动快速的进行热循环，极大的提高实验效率；

2、本实验仪器的实验温度范围为-20摄氏度到100摄氏度、温度测试精度为0.1摄氏度；

3、本实验可设定在固定相变时间衰减程度的情况下进行实验，创造性的得出相变材料相变能力衰减到一定程度的循环次数，为相变材料的实际应用提供了重要的参考数据；

4本实验装置设计较简单，采用模块化设计，本实验仪器创造性的增加了固定相变材料相变时间恶化程度的情况下进行循环实验的模式，能耗低，全程自动化，且完成一定循环次数速度快，温度测定精确，各部分模块化易于维修。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中：1.电动机，2.架台，3.滑块，4-1.第一红外传感器，4-2.第二红外传感器，5.丝杆滑台，6.温度探头，7.样品室，8.计算机，9.单片机，10-1第一斜面，10-2第二斜面；

图2是本发明计算机相变材料冷热循环实验控制方法模式一流程图；

图3是本发明计算机相变材料冷热循环实验控制方法模式二流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

实施例1

本相变材料冷热循环实验仪器，包括丝杆滑台5、支撑丝杆滑台5的架台2、位于丝杆滑台5中的滑块3、分别位于滑块3两侧的第一红外传感器4-1和第二红外传感器4-2、位于丝杆滑台5上驱动滑块3运动的电机1、与电机1相连的单片机9、与单片机9通过信号传输线连接的计算机8，架台2上设有轨道，轨道上设有样品室7，滑块3上挂载温度探头6，温度探头6插于样品室7中；第一红外传感器4-1和第二红外传感器4-2输出检测信号至单片机9；温度探头6输出检测信号至单片机9；单片机9输出控制信号至电机1，架台2两侧分别设有第一斜面10-1和第二斜面10-2；第一斜面10-1置于热水浴槽中，所述第二斜面10-2置于冷水浴槽中。

上述相变材料冷热循环实验仪器的控制方法，包括以下两种模式：

模式一：

步骤一，设定冷水浴限温、热水浴限温、循环次数；

步骤二，判定循环次数是否达标，是则终止实验，否则至步骤三；

步骤三，判定样品室位置是否在冷水浴槽中，是则检测样品室中样品温度，否则将样品室移动至冷水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温，是则样品室移动到热水浴槽中并至步骤四，否则继续判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温；

步骤四，判定样品室是否在热水浴槽中，是则检测样品室中样品温度，否则将样品室移动至热水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温，是则至步骤二，否则继续判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温；

模式二：

步骤一，设定冷水浴限温、热水浴限温、恶化程度；

步骤二，判定相变时间是否达标，是则终止实验，否则至步骤三；

步骤三，判定样品室位置是否在冷水浴槽中，是则开始测温并计时，否则移动样品室位置至冷水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温，是则样品室移动到热水浴槽中并至步骤四，否则继续判定样品室中样品温度是否低于冷水浴限温；

步骤四，判定样品室是否在热水浴槽中，是则检测样品室中样品温度，否则将样品室移动至热水浴槽中并检测样品室中样品温度；不断判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温，是则至步骤二，否则继续判定样品室中样品温度是否高于热水浴限温。

恶化程度：某一次相变时间占第一次相变时间的百分数。

本仪器具体实验控制方法：

运行恒温水浴槽，一个设定在冷水浴槽，一个设定在热水浴槽。冷水浴槽的温度低于相变材料的相变点，热水浴槽高于相变材料的相变点。将仪器架台2的第一斜面10-1置于热水浴槽中，第二斜面10-2置于冷水浴槽中。打开串口，确认单片机9与计算机8的通信成功。选择使用的仪器模式，若选择模式一则设置相变次数，若选择模式二则设置相变时间恶化程度。设置热水浴限温，略高于相变材料的相变点2摄氏度左右，设置冷水浴限温，略低于相变材料相变点2摄氏度左右。将相变材料放入样品室7，注意要让温度探头6浸没在样品中。点击程序中的开始测试，仪器自动运行。听到程序提示音，完成实验，记录初试相变时间、最终相变时间、最终循环次数等数据。收好样品仪器等。

实验例：脲醛树脂石蜡微胶囊相变材料的热耐久性实验

相变材料的相变范围为27摄氏度左右，潜热值为130kJ/kg。设定热水浴槽温度60摄氏度，冷水浴槽温度5摄氏度。程序界面设置模式二：恶化程度60%。设置热水浴限温29摄氏度，冷水浴限温25摄氏度。取样品20g，放入样品室7，按下计算机9程序上的开始按钮，仪器开始工作。程序发出提示音，实验完成，得出初试相变时间86秒，最终相变时间42秒，最终循环次数352次。拿出样品室7中的样品，放入指定样品袋，收好仪器。

在此实例中，完成一次循环大概需要4分钟，完成352次循环大约需要24小时，一天不到可完成实验。通常情况下人工操作一天只能做50次左右，且需要人一直操作。使用次仪器不但免去了人力劳动，且更加精确，并可得到恶化程度一定的条件下的循环次数，这一人工操作很难得到的数据。

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 (4)

1.一种相变材料冷热循环实验仪器，其特征在于：包括丝杆滑台（5）、支撑丝杆滑台（5）的架台（2）、位于丝杆滑台（5）中的滑块（3）、分别位于滑块（3）两侧的第一红外传感器（4-1）和第二红外传感器（4-2）、位于丝杆滑台（5）上驱动滑块（3）运动的电机（1）、与电机（1）相连的单片机（9）、与单片机（9）通过信号传输线连接的计算机（8），所述架台（2）上设有轨道，轨道上设有样品室（7），所述滑块（3）上挂载温度探头（6），所述温度探头（6）插于所述样品室（7）中；所述第一红外传感器（4-1）和第二红外传感器（4-2）输出检测信号至单片机（9）；所述温度探头（6）输出检测信号至单片机（9）；所述单片机（9）输出控制信号至电机（1）。

2.根据权利要求1所述的一种相变材料冷热循环实验仪器，其特征在于：所述架台（2）两侧分别设有第一斜面（10-1）和第二斜面（10-2）。

3.根据权利要求2所述的一种相变材料冷热循环实验仪器，其特征在于：所述第一斜面（10-1）置于热水浴槽中，所述第二斜面（10-2）置于冷水浴槽中。

4.根据权利要求1所述的一种相变材料冷热循环实验仪器，其特征在于：所述样品室（7）可以是一个或者多个。