CN104360696B - 用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，第一激光器发出的激光垂直照射到实验样品上，实验样品置于喷管的喷嘴上方，喷管安装在基座的上表面，基座的一个侧面设有进气管接头、进水管接头和出水管接头，进气管接头连接有保温管道的一端，基座内部设有气流通道，气流通道将喷管的喷嘴与保温管道连通，保温管道的另一端连接在线式气体加热器，基座下表面设有窗口，窗口上安装有透镜盖，透镜盖上镶嵌有透镜将窗口覆盖，第二激光器发出的激光通过第二反射镜反射后从实验样品的下方垂直照射到实验样品上。本发明的有益效果是利用双激光对材料加热，有效减少实验材料上下部分的温度梯度。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置。
背景技术
材料的熔融状态涉及到化工、冶金、航天、军事等多个领域，材料在相变过程中的辐射性质是重要研究对象。在传统加热炉里对置于容器中的高温熔融态样品进行研究时伴随着难以克服的困难，例如：样品与容器存在化学反应，样品容易被容器污染，由于异质形核作用难以获得深度过冷，很难到达1500℃以上的高温。世界各地的实验室设计了多种无容器悬浮装置来研究高温材料，悬浮方式主要有静电悬浮、电磁悬浮、声悬浮和气动悬浮等。悬浮熔化凝固方法可防止熔体接触污染，抑制非均匀形核，获得深度过冷及快速凝固效果，是一种研究与制备新材料的重要方法，应用前景广泛。目前，在弥散颗粒红外光谱辐射特性的测量方面，气动悬浮技术已经开始得到应用，通常是在腔体内，利用气流吹起经过加热的粒子团簇，实现悬浮，测量悬浮状态粒子辐射特性问题。该方法的粒子加热温度不是很高，不适用于研究单个毫米级尺寸材料相变过程中的辐射特性，难以现实高温熔体冷却至凝固阶段的冷速控制。
在悬浮加热的过程中，气流对实验材料底部不可避免存在对流冷却作用，在普通喷管中，悬浮的球形颗粒或球形液滴是不断旋转的，通常是近似沿着竖直轴旋转。如果采用激光自上而下辐照实验材料，尽管材料不断旋转，材料下表面由于不能直接接收到激光辐照，温度较低，这是实验材料上下部分产生温度梯度的主要原因之一。当这种温度不均匀性较大时，可能造成实验无法进行。
发明内容
本发明的目的在于提供用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，解决现有气动悬浮加热装置中被加热实验样品上下部分温度梯度较大的问题。
本发明所采用的技术方案是包括第一激光器，第一激光器发出的激光通过第一反射镜反射后从实验样品上方垂直照射到实验样品上，实验样品置于喷管的喷嘴上方，被喷管的喷嘴喷出的气流托起，喷管安装在基座的上表面，基座的一个侧面设有进气管接头、进水管接头和出水管接头，进气管接头连接有保温管道的一端，基座内部设有气流通道，气流通道将喷管的喷嘴与保温管道连通，保温管道的另一端连接在线式气体加热器，进水管接头和出水管接头分别连接进水管和出水管，使外部冷却水从基座内流过，对基座进行降温，基座下表面设有窗口，窗口上安装有透镜盖，透镜盖上镶嵌有透镜将窗口覆盖，第二激光器发出的激光通过第二反射镜反射后从透镜下方垂直射入基座内、并穿过基座内部的气流通道从实验样品的下方垂直照射到实验样品上。
进一步，所述喷管被两个压条压紧固定在基座的上表面。
进一步，所述喷管侧壁加工了一定倾角的通孔，气流通过喷管喉部时流场将不完全对称，实验样品悬浮时，其旋转轴与竖直轴存在一定倾角，激光加热面积增加。
进一步，所述在线式气体加热器将气流温度在20℃～120℃之间连续调节。
进一步，所述喷管基座气流通道内壁和喷管内壁喷涂隔热涂料。
进一步，所述基座采用导热系数较高的铜合金制成。
进一步，所述透镜片为紫外级融石英镜片，对355nm的紫外激光可以实现很高的透过率。
本发明的有益效果是利用双激光对材料加热后，可以实现样品在熔化、相变、凝固整个实验过程中稳定悬浮，有效减少实验材料上下部分的温度梯度。
附图说明
图1是本发明用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置的结构示意图；
图2是本发明用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置基座示意图；
图3是本发明用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置的基座装置零件立体展开图；
图4是本发明用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置的喷管立体剖面图。
图中1.第一激光器、2.第一反射镜、3.实验样品、4.喷管、5.基座、6.保温管道、7.在线式气体加热器、8.压条、9.进气管接头、10.进水管接头、11.出水管接头、12.透镜、13.透镜盖、14.第二激光器、15.第二反射镜、401.通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1显示了本发明装置采用双激光器1加热并使用在线式气体加热器7预热气体的示意图。如图1、图2所示，稳定后的气流通过在线式气体加热器7加热，根据不同情况，气流温度可以在20℃～120℃之间连续调节。匹配加热器的好处是，提高和维持气流温度，用具有一定温度的热气流吹起实验样品，减少气流的对流冷却作用，降低样品不同部分的温度梯度。为了减少气流热量散失，在线式气体加热器7至喷管基座5进气管接头9之间采用的是保温管道6，且在喷管基座5气流通道内壁和喷管4内壁喷涂隔热涂料，该涂料具有较低导热系数，利用陶瓷和空心微珠中空气的低热传导性减少基材对来流热量吸收，保证从喷管喷出的气体保有较高温度。
如图2所示，为喷管4装置示意图，根据不同的悬浮材料和实验要求，可以方便替换不同形式的喷管4。压缩气体经由进气管接头9引入喷管基座5，流经内部气道，最终从喷管4喷出。激光光束照射实验材料时，不可避免会对喷管4有加热作用，为防止喷管4过热，基座5采用导热系数较高的铜合金制成，冷却水通过进水管接头10进入基座5的U型通道内进行冷却。
图3为基座5展开示意图，透镜12为紫外级融石英镜片，对355nm的紫外激光可以实现很高的透过率，也可以根据所采用的激光波段不同而替换。从底部加热样品可以有效提高样品在加热过程中的温度均匀性，进一步减少温度梯度。
图4为喷管4剖面图，喷管4采用渐缩渐扩形式，内壁喷涂隔热涂料。在普通喷管中，悬浮的球形颗粒或球形液滴是不断旋转的，通常是近似沿着竖直轴旋转。如果采用激光自上而下辐照实验材料，尽管材料不断旋转，材料下表面由于不能直接接收到激光辐照，温度较低，这是产生温度梯度的主要原因之一。因此本发明系统中喷管4侧壁加工了一定倾角的通孔401，气流通过喷管喉部时流场将不完全对称，实验样品3悬浮时，其旋转轴与竖直轴存在一定倾角，激光加热面积明显增加，温度均匀性得到显著提高。
本发明在加热过程中，为使被加热材料不同部分温度均匀，进行了以下三方面的设计：
1.使经过预热的具有较高温度的气流进入喷管4，喷管基座5气流通道和喷管内壁喷涂隔热涂料，该涂料具有较低导热系数，保证从喷管4喷出的气体保有较高温度，减少被悬浮材料下表面因对流冷却产生的温度梯度；
2.喷管4侧壁面设有一定倾斜角度的通孔401，改变被悬浮材料沿铅直轴旋转的状态，使其旋转轴与铅直轴成一定角度，在旋转过程中激光可直接加热材料下侧表面，有效减少材料上下部分的温度梯度；
3.喷管基座5底部安装有透镜12，配合反射光路，可布置两束激光实现上、下同时加热材料的功能，进一步减少材料不同部分的温差。
本发明的优点是：提出了一种基于空气动力的，用于高温条件下颗粒相变过程辐射特性测量实验的喷管气动悬浮加热装置，采用特殊设计喷管中喷出的热气流吹起材料样品，利用双激光对材料加热后，可以实现样品在熔化、相变、凝固整个实验过程中稳定悬浮，有效减少实验材料上下部分的温度梯度。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，其特征在于：包括第一激光器(1)，第一激光器(1)发出的激光通过第一反射镜(2)反射后从实验样品(3)上方垂直照射到实验样品(3)上，实验样品(3)置于喷管(4)的喷嘴上方，被喷管(4)的喷嘴喷出的气流托起，喷管(4)安装在基座(5)的上表面，基座(5)的一个侧面设有进气管接头(9)、进水管接头(10)和出水管接头(11)，进气管接头(9)连接有保温管道(6)的一端，基座(5)内部设有气流通道，气流通道将喷管(4)的喷嘴与保温管道(6)连通，保温管道(6)的另一端连接在线式气体加热器(7)，进水管接头(10)和出水管接头(11)分别连接进水管和出水管，使外部冷却水从基座(5)内流过，对基座(5)进行降温，基座(5)下表面设有窗口，窗口上安装有透镜盖(13)，透镜盖(13)上镶嵌有透镜(12)将窗口覆盖，第二激光器(14)发出的激光通过第二反射镜(15)反射后从透镜(12)下方垂直射入基座(5)内、并穿过基座(5)内部的气流通道从实验样品(3)的下方垂直照射到实验样品(3)上。
2.按照权利要求1所述用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，其特征在于：所述喷管(4)被两个压条(8)压紧固定在基座(5)的上表面。
3.按照权利要求1所述用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，其特征在于：所述喷管(4)侧壁加工了一定倾角的通孔(401)，气流通过喷管喉部时流场将不完全对称，实验样品(3)悬浮时，其旋转轴与竖直轴存在一定倾角，激光加热面积增加。
4.按照权利要求1所述用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，其特征在于：所述在线式气体加热器(7)将气流温度在20℃～120℃之间连续调节。
5.按照权利要求1所述用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，其特征在于：所述喷管基座(5)气流通道内壁和喷管(4)内壁喷涂隔热涂料。
6.按照权利要求1所述用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，其特征在于：所述基座(5)采用导热系数较高的铜合金制成。
7.按照权利要求1所述用于颗粒相变过程高温辐射特性测量的气动悬浮加热装置，其特征在于：所述透镜片(12)为紫外级融石英镜片，对355nm的紫外激光能实现很高的透过率。
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