CN111220456A - 一种可变压的高温材料热环境试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种可变压的高温材料热环境试验装置，属于环境试验技术领域。本发明包括水冷承压腔、压力控制系统、加热芯、温度控制系统、水冷系统、待测材料或器件及其检测系统。水冷承压腔的外形采用圆柱结构主要由水冷密封前盖、水冷承压桶及承压腔后密封盖组成；水冷密封前盖上分布有压力控制器连接端口、限压阀、控温及加热电极、水冷接口；承压腔后密封盖为易拆装结构，用于压紧密封块，便于被测材料或装置更换。本发明采用在可变压环境中设置加热单元，并将承压结构改进为水冷承压结构，使试验温度及压力的上限极大提高，能够实现0～7MPa及300℃～1200℃条件下的可变压的高温材料热环境试验。本发明具有结构简单、易于实现的优点。

Description

一种可变压的高温材料热环境试验装置

技术领域

本发明属于环境试验技术领域，尤其涉及可变压的高温材料热环境试验装置。

背景技术

环境试验是为了保证产品在规定的寿命期间，在预期的使用、运输或贮存的所有环境下，保持功能可靠性而进行的活动。环境试验设备是企业或机构验证原材料、半成品、成品质量的一种装置，目的是通过使用各种环境试验设备做试验，来验证材料和产品是否达到在研发、设计、制造中预期的质量目标，广泛应用于大专院校、航空、航天、军事、造船、电工、电子、医疗、仪器仪表、石油仪表、石油化工、医疗、汽摩等领域。目前，市场上的常见的压力或温度环境试验设备一般为变压力常温或变温度常压设备，压力及温度双参数可调的环境试验设备一般为定制设备，而最高试验温度可达到1200℃的可变压材料热环境试验装置也未见相关报道。

可变压的高温材料热环境试验装置的一般设计思路为利用高温热源对高压金属密闭腔进行加热，达到变温变压试验条件，这种方案设计简单易实现，但这种设计方案需要考虑不同压力条件下的金属密封腔的耐温性能，需权衡金属密封腔的耐温及耐压性能，对试验温度及压力的设计上限有很大的限制。

发明内容

针对现有技术中存在的不足或缺陷，本发明公开的一种可变压的高温材料热环境试验装置要解决的技术问题是：实现可变压的高温材料热环境试验，采用在可变压环境中设置加热单元，并将承压结构改进为水冷承压结构，使试验温度及压力的上限极大提高，能够实现0～7MPa及300℃～1200℃条件下的可变压的高温材料热环境试验。本发明具有结构简单、易于实现的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种可变压的高温材料热环境试验装置，包括水冷承压腔、压力控制系统、加热芯、温度控制系统、水冷系统、待测材料或器件及其检测系统。

所述水冷承压腔是所述可变压的高温材料热环境试验装置的承压结构；水冷承压腔的外形采用圆柱结构，进而有效提高内部最大可承受气压的大小；水冷承压腔主要由水冷密封前盖、水冷承压桶及承压腔后密封盖组成；水冷密封前盖上分布有压力控制器连接端口、限压阀、控温及加热电极、水冷接口；承压腔后密封盖为易拆装结构，用于压紧密封块，便于被测材料或装置更换。

所述限压阀用于保证水冷承压腔内气压不超过预设气压，保证试验安全进行。

所述压力控制系统和水冷密封前盖连接，通过控制腔内气压大小实现压力传感器校准。压力控制系统主要由精密压力控制器和高压惰性气体瓶组成。

所述加热芯和温度控制系统共同实现可变压的高温材料热环境试验装置的加热与控温功能。热电偶用于实现加热芯的实时温度测试，温度控制系统根据设置温度和炉内温度自动控制施加在炉芯加热丝上的电压，进而实现炉内温度控制。加热芯从内到外依次由热电偶、加热陶瓷管、炉芯加热丝、均温陶瓷管、保温棉及加热芯支架构成。

所述热电偶采用校准后的S型热电偶，偶丝穿过绝缘双孔管，并套有陶瓷管以防热电偶污染；炉芯加热丝缠绕在加热陶瓷管外围实现加热；炉芯加热丝外部套有均热陶瓷管，有利于加热陶瓷管内部温场均匀；均热陶瓷管外缠绕高温保温棉进行保温；整个加热炉芯由加热芯支架固定，放置于水冷承压腔内部，支撑加热陶瓷管，使其与水冷承压桶同轴。所述加热炉芯由保温棉、炉芯加热丝、均温陶瓷管、加热陶瓷管组成。

所述水冷系统通过管路将水冷机、水冷密封前盖及水冷承压桶连接在一起，保证水冷承压腔外壁温度恒定常温。

所述待测材料或器件及其检测系统包括待测材料或器件和待测材料或器件的检测系统；待测材料或器件放置在加热陶瓷管内距离热电偶较近的位置，用于保证热电偶的温度即为待测材料或器件的温度；当待测材料或器件具有实时检测系统时，则能够将其连接部件(如光纤)通过密封块引出装置与待测材料或器件的检测系统连接，用于检测待测材料或器件的实时状态，在密封块通孔处涂抹密封胶，并通过承压腔后密封盖的紧固挤压，进而实现水冷承压腔内部密封。

作为优选，加热炉芯的炉芯加热丝使用直径为1mm的镍铬合金加热丝，并在其四周包裹保温棉，配合控温用热电偶与温度控制系统，加热炉芯可快速控温在300℃～1200℃范围内。

作为优选，所述的水冷密封前盖上的热电极及热电偶的引线导出均使用聚四氟乙烯制作的绝缘结构实现绝缘，密封上通过设置内部紧固法兰，将聚四氟乙烯工件挤压变形实现初步密封，再将所有接缝处涂抹环氧树脂胶实现进一步密封。

作为优选，所述密封块为聚四氟乙烯制作的一次性密封件，承压腔后密封盖采用螺母紧固的法兰结构，易于拆装。

作为优选，所述水冷承压桶和加热陶瓷管接触部位采用圆台结构，便于待测材料或器件的安装与拆除。

作为优选，所述水冷密封前盖上设有凸起结构，通过和水冷承压桶对应位置放置的聚四氟乙烯垫圈挤压，实现整个水冷承压腔的密封。

本发明公开的一种可变压的高温材料热环境试验装置的工作方法，包括如下步骤：

第一步：将可变压的高温材料热环境试验装置水冷密封前盖紧固安装，检查水、电、气线路管路，确保无漏水、漏气、短路现象；

第二步：安装待测材料或器件，并在通孔处涂抹环氧树脂胶并自然晾干，将承压腔后密封盖密封螺母紧固，保证水冷承压腔内密封；

第三步：开启水冷系统，设置水冷机温度在(25±5)℃范围内；

第四步：将承压结构设计为水冷承压结构，加热炉芯的炉芯加热丝选用直径较粗的镍铬合金加热丝，并利用保温棉做好四周保温，设置温度控制系统温度到试验温度，设置温度可选定在300℃～1200℃范围内，开启温度控制系统加热按钮；

第五步：待温度控制系统显示试验装置内部温度到达设置温度并稳定后，开启压力控制系统，设置压力控制器的压力值，根据压力控制器的控制范围，设置气压可选定在0～7MPa，控制水冷承压腔内气压到试验气压；

第六步：待压力控制器显示气压稳定后，系统达到设定实验条件，此时能够对被测材料或器件进行恒温恒压试验。

第七步：逐个改变温度控制系统和压力控制器的设置温度及压力值，改变试验条件，进行其他测试条件下的试验，进而完成试验。

第八步：温度控制系统的设定温度改为为20℃，关闭加热按钮，设置压力控制器压力值，使水冷承压腔内压力逐渐下降到0.1MPa后，打开通气阀，关闭压力控制器。待温度控制系统显示温度小于80℃后，关闭水冷机和加热控制系统。

有益效果：

1、本发明公开的一种可变压的高温材料热环境试验装置，在可变压环境中设置加热单元，并将承压结构设计为水冷承压结构，加热炉芯的炉芯加热丝选用直径较粗的镍铬合金加热丝，并利用保温棉做好四周保温，使试验温度及压力的设计上限极大提高，进而实现0～7MPa及300℃～1200℃条件下的可变压的高温材料热环境试验。

2、本发明公开的一种可变压的高温材料热环境试验装置，在热电偶、热电极等部位的密封上采用内置法兰挤压聚四氟乙烯变形及缝隙部位涂抹环氧树脂胶的双重密封方式，保证承压腔的密封性能，提高试验压力的准确性。

3、利用本发明公开的一种可变压的高温材料热环境试验装置进行试验时，热电偶与待测材料或器件距离很近，热电偶温度能够准确反映压力传感器温度，保证试验温度的准确性；压力控制器和承压腔连接，能够准确反映压力腔内压力，保证试验压力的准确性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的可变压的高温材料热环境试验装置的结构示意图。

其中，1-水冷密封前盖、2-水冷承压桶、3-保温棉、4-热电偶、5-炉芯加热丝、6-待测材料或器件、7-加热芯支架、8-均温陶瓷管、9-加热陶瓷管、10-密封块、11-承压腔后密封盖、12-待测材料或器件的检测系统、13-水冷机、14-温度控制系统、15-限压阀、16-高压惰性气体瓶、17-精密压力控制器。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的可变压的高温材料热环境试验装置，包括水冷承压腔，压力控制系统，1200℃加热芯，温度控制系统，水冷系统，待测材料或器件及其检测系统；

水冷承压腔是所述可变压的高温材料热环境试验装置的承压结构；水冷承压腔其外形采用圆柱结构设计，可有效提高内部最大可承受气压的大小；水冷承压腔由水冷密封前盖1、水冷承压桶2及承压腔后密封盖11组成；水冷密封前盖1上分布有压力控制器连接端口、限压阀15、控温及加热电极、水冷接口等；承压腔后密封盖11为易拆装结构，用于压紧密封块10，便于被测材料或装置更换。

限压阀15可保证水冷承压腔内气压不超过设计气压，保证试验安全进行。

压力控制系统和水冷密封前盖1连接，控制腔内气压大小，实现压力传感器校准。压力控制系统由精密压力控制器17和高压惰性气体瓶16组成。

1200℃加热芯和温度控制系统共同实现可变压的高温材料热环境试验装置的加热与控温功能。热电偶4可实现1200℃加热芯的实时温度测试，温度控制系统14根据设置温度和炉内温度自动控制施加在炉芯加热丝5上的电压，进而实现炉内温度控制。1200℃加热芯从内到外依次由热电偶4、加热陶瓷管9、炉芯加热丝5、均温陶瓷管8、保温棉3及加热芯支架7构成。

热电偶4采用校准后的S型热电偶，偶丝穿过绝缘双孔管，并套有陶瓷管以防热电偶污染；炉芯加热丝5缠绕在加热陶瓷管9外围实现加热；炉芯加热丝5外部套有均热陶瓷管8，有利于加热陶瓷管9内部温场均匀；均热陶瓷管8外缠绕高温保温棉进行保温；整个加热炉芯由加热芯支架7固定，可放置于水冷承压腔内部，支撑加热陶瓷管9，使其与水冷承压桶2同轴。

水冷系统通过管路将水冷机13、水冷密封前盖1及水冷承压桶2连接在一起，保证了水冷承压腔外壁温度恒定常温。

待测材料或器件及其检测系统主要包括待测材料或器件6和待测材料或器件的检测系统12；待测材料或器件6放置在加热陶瓷管9内距离热电偶4较近的位置，可保证热电偶4的温度即为待测材料或器件的温度；若待测材料或器件6具有实时检测系统，则可将其连接部件如光纤通过密封块10引出装置与待测材料或器件的检测系统12连接，用于检测待测材料或器件6的实时状态，在密封块10通孔处涂抹环氧树脂胶，并通过承压腔后密封盖11的紧固挤压，进而实现水冷承压腔内部密封。

水冷密封前盖1上的热电极及热电偶的引线导出均使用聚四氟乙烯制作的绝缘结构实现绝缘，密封上通过设置内部紧固法兰，将聚四氟乙烯工件挤压变形实现初步密封，再将所有接缝处涂抹环氧树脂胶实现进一步密封。

密封块10为聚四氟乙烯制作的一次性密封件，承压腔后密封盖11采用螺母紧固的法兰结构设计，易于拆装。

水冷承压桶2和加热陶瓷管9接触部位采用了圆台结构设计，便于待测材料或器件6的安装与拆除。

水冷密封前盖1上设计有凸起结构，通过和水冷承压桶2对应位置放置的聚四氟乙烯垫圈挤压，实现整个承压腔的密封。

一种可变压的高温材料热环境试验装置的工作过程为：

第一步：将可变压的高温材料热环境试验装置水冷密封前盖1紧固安装，检查水、电、气线路管路，确保无漏水、漏气、短路现象；

第二步：安装待测材料或器件6，并在通孔处涂抹环氧树脂胶并自然晾干，将承压腔后密封盖11密封螺母紧固，保证水冷承压腔内密封；

第三步：开启水冷系统，设置水冷机13温度在(25±5℃)范围内；

第四步：设置温度控制系统14温度到试验温度，设置温度可选定在300℃～1200℃范围内，开启温度控制系统加热按钮；

第五步：待温度控制系统14显示试验装置内部温度到达设置温度并稳定后，开启压力控制系统，设置压力控制器17的压力值，根据压力控制器的控制范围，设置气压可选定在0～7MPa，控制水冷承压腔内气压到试验气压；

第六步：待压力控制器17显示气压稳定后，系统达到设定实验条件，此时可对被测材料或器件进行恒温恒压试验。

第七步：逐个改变温度控制系统14和压力控制器17的设置温度及压力值，改变试验条件，进行其他测试条件下的试验，进而完成试验。

第八步：温度控制系统的设定温度改为为20℃，关闭加热按钮，设置压力控制器压力值，使水冷承压腔内压力逐渐下降到0.1MPa后，打开通气阀，关闭压力控制器。待温度控制系统显示温度小于80℃后，关闭水冷机13和加热控制系统。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可变压的高温材料热环境试验装置，其特征在于：包括水冷承压腔、压力控制系统、加热芯、温度控制系统、水冷系统、待测材料或器件及其检测系统；

所述水冷承压腔是所述可变压的高温材料热环境试验装置的承压结构；水冷承压腔的外形采用圆柱结构，进而有效提高内部最大可承受气压的大小；水冷承压腔主要由水冷密封前盖(1)、水冷承压桶(2)及承压腔后密封盖(11)组成；水冷密封前盖(1)上分布有压力控制器连接端口、限压阀(15)、控温及加热电极、水冷接口；承压腔后密封盖(11)为易拆装结构，用于压紧密封块(10)，便于被测材料或装置更换；

所述限压阀(15)用于保证水冷承压腔内气压不超过预设气压，保证试验安全进行；

所述压力控制系统和水冷密封前盖(1)连接，通过控制腔内气压大小实现压力传感器校准；压力控制系统主要由精密压力控制器(17)和高压惰性气体瓶(16)组成；

所述加热芯和温度控制系统共同实现可变压的高温材料热环境试验装置的加热与控温功能；热电偶(4)用于实现加热芯的实时温度测试，温度控制系统(14)根据设置温度和炉内温度自动控制施加在炉芯加热丝(5)上的电压，进而实现炉内温度控制；加热芯从内到外依次由热电偶(4)、加热陶瓷管(9)、炉芯加热丝(5)、均温陶瓷管(8)、保温棉(3)及加热芯支架(7)构成；

所述热电偶(4)采用校准后的S型热电偶，偶丝穿过绝缘双孔管，并套有陶瓷管以防热电偶污染；炉芯加热丝(5)缠绕在加热陶瓷管(9)外围实现加热；炉芯加热丝(5)外部套有均热陶瓷管(8)，有利于加热陶瓷管(9)内部温场均匀；均热陶瓷管(8)外缠绕高温保温棉进行保温；整个加热炉芯由加热芯支架(7)固定，放置于水冷承压腔内部，支撑加热陶瓷管(9)，使其与水冷承压桶(2)同轴；所述加热炉芯由保温棉(3)、炉芯加热丝(5)、均温陶瓷管(8)、加热陶瓷管(9)组成；

所述水冷系统通过管路将水冷机(13)、水冷密封前盖(1)及水冷承压桶(2)连接在一起，保证水冷承压腔外壁温度恒定常温；

所述待测材料或器件及其检测系统包括待测材料或器件(6)和待测材料或器件的检测系统(12)；待测材料或器件(6)放置在加热陶瓷管(9)内距离热电偶(4)较近的位置，用于保证热电偶(4)的温度即为待测材料或器件的温度；当待测材料或器件(6)具有实时检测系统时，则能够将其连接部件通过密封块(10)引出装置与待测材料或器件的检测系统(12)连接，用于检测待测材料或器件(6)的实时状态，在密封块(10)通孔处涂抹密封胶，并通过承压腔后密封盖(11)的紧固挤压，进而实现水冷承压腔内部密封。

2.如权利要求1所述的一种可变压的高温材料热环境试验装置，其特征在于：加热炉芯的炉芯加热丝(5)使用直径为1mm的镍铬合金加热丝，并在其四周包裹保温棉(3)，配合控温用热电偶(4)与温度控制系统(14)，加热炉芯可快速控温在300℃～1200℃范围内。

3.如权利要求2所述的一种可变压的高温材料热环境试验装置，其特征在于：所述的水冷密封前盖(1)上的热电极及热电偶的引线导出均使用聚四氟乙烯制作的绝缘结构实现绝缘，密封上通过设置内部紧固法兰，将聚四氟乙烯工件挤压变形实现初步密封，再将所有接缝处涂抹环氧树脂胶实现进一步密封。

4.如权利要求3所述的一种可变压的高温材料热环境试验装置，其特征在于：所述密封块(10)为聚四氟乙烯制作的一次性密封件，承压腔后密封盖(11)采用螺母紧固的法兰结构，易于拆装。

5.如权利要求4所述的一种可变压的高温材料热环境试验装置，其特征在于：所述水冷承压桶(2)和加热陶瓷管(9)接触部位采用圆台结构，便于待测材料或器件(6)的安装与拆除。

6.如权利要求5所述的一种可变压的高温材料热环境试验装置，其特征在于：所述水冷密封前盖(1)上设有凸起结构，通过和水冷承压桶(2)对应位置放置的聚四氟乙烯垫圈挤压，实现整个水冷承压腔的密封。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种可变压的高温材料热环境试验装置，其特征在于：工作方法包括如下步骤，

第一步：将可变压的高温材料热环境试验装置水冷密封前盖(1)紧固安装，检查水、电、气线路管路，确保无漏水、漏气、短路现象；

第二步：安装待测材料或器件(6)，并在通孔处涂抹环氧树脂胶并自然晾干，将承压腔后密封盖(11)密封螺母紧固，保证水冷承压腔内密封；

第三步：开启水冷系统，设置水冷机(13)温度在(25±5)℃范围内；

第四步：将承压结构设计为水冷承压结构，加热炉芯的炉芯加热丝选用直径较粗的镍铬合金加热丝，并利用保温棉做好四周保温，设置温度控制系统(14)温度到试验温度，设置温度可选定在300℃～1200℃范围内，开启温度控制系统加热按钮；

第五步：待温度控制系统(14)显示试验装置内部温度到达设置温度并稳定后，开启压力控制系统，设置压力控制器(17)的压力值，根据压力控制器的控制范围，设置气压可选定在0～7MPa，控制水冷承压腔内气压到试验气压；

第六步：待压力控制器(17)显示气压稳定后，系统达到设定实验条件，此时能够对被测材料或器件进行恒温恒压试验；

第七步：逐个改变温度控制系统(14)和压力控制器(17)的设置温度及压力值，改变试验条件，进行其他测试条件下的试验，进而完成试验；

第八步：温度控制系统的设定温度改为为20℃，关闭加热按钮，设置压力控制器压力值，使水冷承压腔内压力逐渐下降到0.1MPa后，打开通气阀，关闭压力控制器；待温度控制系统显示温度小于80℃后，关闭水冷机(13)和加热控制系统。

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