CN111774101A - 一种高温高压合成设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温高压合成设备，包括合成装置、主压力机、水冷机、稳压电源、控制系统和液压系统，所述合成装置设置在所述主压力机内，所述主压力机输出压力作用于合成装置，所述合成装置通过多个循环管路与所述水冷机连接，用以对合成装置进行温降，所述合成装置通过导线与所述稳压电源相连，以对合成装置加热，并配合所述循环管路控制样品的实验温度，所述液压系统与所述主压力机连接，所述液压系统为伺服控制二级增压系统；所述控制系统分别与液压系统、稳压电源、水冷机、主压力机、合成装置连接，以对其运行状态进行控制与显示，该发明能够提高实验时温度场和压力场均匀稳定性，可维持装置内样品仓温度与压力的长时间精确控制。

Description

一种高温高压合成设备

技术领域

本发明涉及地质实验装置领域，具体涉及一种高温高压合成设备。

背景技术

高温高压的实验研究，是地球科学研究中的一项重要组成部分，其在研究深部地壳、地幔、核幔边界乃至地核、行星起源和演化等方面更是必不可少的一个重要途径和窗口。

高温高压活塞圆筒压机是当前国际静高压大腔体实验领域应用广泛的高温高压仪器。通过模拟地球内部的温度、压强、成分和氧逸度等条件，模拟地球内部环境、制备新材料、探索高压下的独特物性。

传统的高温高压活塞圆筒压机存在样品仓内温度场和压力场的均匀稳定性不佳、合成实验的精确性较低的技术问题。

因此，需要发明一种高温高压合成设备，能够提高样品仓温度场、压力场的均匀稳定性，提高合成实验的精确性。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高温高压合成设备，解决了样品仓温度场、压力场均匀稳定性较差、实验精确性不好的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高温高压合成设备，包括合成装置、主压力机、水冷机、稳压电源、控制系统和液压系统，所述合成装置设置在所述主压力机内，用以对放置的实验样品进行高温高压实验，所述主压力机输出压力作用于合成装置，所述合成装置通过多个循环管路与所述水冷机连接，用以对合成装置进行温降，所述合成装置通过导线与所述稳压电源相连，以对合成装置加热，并配合所述循环管路控制样品的实验温度，所述液压系统与所述主压力机连接，所述液压系统为伺服控制二级增压系统，用以稳定提供实验所需压力；所述控制系统分别与液压系统、稳压电源、水冷机、主压力机、合成装置连接，以对其运行状态进行控制与显示。该设置能够提供均匀稳定的压力场和温度场，实验精确性好。

进一步的，所述合成装置包括底座模块、压力盘模块、上顶载模块，所述压力盘模块设置于底座模块与上顶载模块之间，且由底座模块支撑，所述底座模块与上顶载模块之间通过多个可伸缩支杆连接，所述上顶载模块在主压力机作用下向下移动，与所述底座模块挤压所述压力盘模块。

进一步的，所述压力盘模块内部沿径向设置有多个热电偶，该设置能够精确的测量多个方向压力盘模块的温度，并且反馈给控制系统，使得实验中温度场的均匀性稳定性更好。

进一步的，所述压力盘模块内部设置有密闭腔，所述密闭腔内设置有样品仓。该设置能够避免样品直接放置在密闭腔导致温度和压力场不均匀，导致实验不精确。

进一步的，所述压力盘模块包括上冷却盘和下冷却盘，所述上冷却盘和所述下冷却盘分别通过循环管路连通所述水冷机。该设置能够分别对压力盘模块上下两个部分进行温降，能够更快的调节温度。

进一步的，所述上顶载模块与所述底座模块通过导线连接所述稳压电源。

进一步的，所述液压系统包括低压控制回路和二级增压回路，所述低压控制回路包括增压缸，所述二级增压回路包括主液压缸，所述低压控制回路油压升高控制增压缸运动，所述增压缸推动所述二级增压回路油压升高并使所述主液压缸运动，所述主液压缸输出高压油以推动上顶载模块向下移动，以实现高压实验所需持续稳定高压。

进一步的，所述合成装置内设置有多个压力传感器，能够多方位检测合成装置的压力，并反馈给控制系统，以实现压力场的均匀稳定性。

本发明所述的技术方案具有以下优势：

(1)本发明所述的一种高温高压合成设备，样品仓温度场、压力场均匀稳定性提高、实验精确性好，可靠性好；

(2)本发明所述的一种高温高压合成设备基于人工智能技术的分析为该核心模块的可靠稳定运行提供了大数据保障。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的高温高压合成设备的结构示意图；

图2为本发明图1中A处放大图；

图3为本发明实施例所述合成装置结构示意图；

图4为本发明实施例所述压力盘结构示意图；

图5为本发明实施例所述液压系统示意图。

附图标记说明：

1、主压力机；11、机顶；12、支柱；13、滑动盘；14、底座；2、合成装置；21、上顶载模块；211、第一接线柱；212、上顶盘；213、上垫板；214、支撑块；22、压力盘模块；221、上冷却盘；2211、上出水口；2212、上进水口；2213、上盘体；222、圆筒组件；2220、支撑柱；2221、支撑盖；2222、活塞；2223、支撑塞；2224、样品；2225、支撑垫；2226、密闭腔；2227、外筒；2228、内筒；2229、样品仓；223、下冷却盘；2231、下出水口；2232、下进水口；2233、下盘体；224、热电偶通道；225、应变片；2251、测量孔；23、底盘模块；231、第二接线柱；232、下支撑块；233、下垫板；234、下底盘；24、支杆；3、控制系统；4、稳压电源；41、第一电极；42、第二电极；5、水冷机；51、第一出水口；52、第二出水口，53、第二回水口；54、第一回水口；6、液压系统；60、第一阀；61、主液压缸；62、卸压阀；63、主油箱；64、液压泵；65、伺服泵；66、第二阀；67、第三阀；68、伺服阀；69、增压缸；7、压力表。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中涉及“左”、“右”、“上”、“下”等的描述仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，且已在附图中标出。由此，限定有“左”、“右”、“上”、“下”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当实施例之间的技术方案能够实现结合的，均在本发明要求的保护范围之内。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例如图1和图2所示，一种高温高压合成设备，包括合成装置2、主压力机1、水冷机5、稳压电源4、控制系统3和液压系统6，所述合成装置2设置在所述主压力机1内，用以放置实验样品，并对样品2224进行高温高压实验，所述主压力机1输出压力作用于合成装置2，所述合成装置2通过多个循环管路与所述水冷机5连接，用以对合成装置2进行冷却，控制合成装置2的温降，所述合成装置2通过导线与所述稳压电源4相连，以对合成装置加热，并配合所述循环管路控制样品2224实验温度的高低，所述液压系统6为伺服控制二级增压系统，与所述主压力机1连接，用以稳定提供实验所需压力；所述控制系统3分别与液压系统6、稳压电源4、水冷机5、主压力机1、合成装置2连接，以对其运行状态进行控制与显示。

进一步的，所述主压力机1包括机顶11、支柱12、滑动盘13、底座14，所述机顶11与所述底座14分别固定设置在所述支撑柱12上下两端，所述滑动盘13套设在支柱12上，设置在机顶11和底座14之间，沿支柱12上下滑动，所述滑动盘13与所述底座14之间设置有合成装置2，所述滑动盘13与所述液压系统6连接，由液压系统6提供压力，使滑动盘13向下移动挤压合成装置2，合成装置2底部与底座14固定连接，合成装置2顶部能够与滑动盘13连接，合成装置2顶部能够受滑动盘13挤压向下移动。

进一步的，所述合成装置2包括底座模块23、压力盘模块22、上顶载模块21和支杆24，所述压力盘模块22设置于底座模块23与上顶载模块21之间，且由底座模块23固定支撑，所述底座模块23与上顶载模块21之间通过多个支杆24连接，上顶载模块21能够与滑动盘13连接，上顶载模块21能够受滑动盘13推动向下移动并且在滑动盘13作用下挤压压力盘模块22，使压力盘模块22产生实验所需高压，支杆24为下部和上部相套设的杆件，在上顶载模块21移动时，支杆24能够被压缩，上顶载模块21复位时，支杆24复位，上顶载模块21上设置有第一接线柱211，第一接线柱211通过导线连接在稳压电源4上；底座模块23与底座14固定连接，底座模块23上设置有第二接线柱231，第二接线柱231通过导线连接在稳压电源4上，第一接线柱211和第二接线柱231分别接通稳压电源4的正负极，在通电后，能够使受挤压的压力盘模块22处于高温状态。

进一步的，如图3所示，上顶载模块21还包括上顶盘212、上垫板213、支撑块214，上顶盘212、上垫板213和支撑块214依次通过螺栓固定连接，上顶盘212能够与滑动盘13连接，且能够受滑动盘13推动带动上垫板213和支撑块214向下移动，上顶盘212套设在支杆24上部，并能够沿支杆24轴向移动，支杆24起到支撑和导向作用，上垫板213用于固定支撑块214，而支撑块214能够在挤压过程中对与其接触的部件起到缓冲和支撑保护作用，第一接线柱211设置在支撑块214周向外表面上，设置在能够便于连接稳压电源4的位置；

压力盘模块22包括上冷却盘221、圆筒组件222和下冷却盘223，上冷却盘221通过螺栓固定在圆筒组件222上部，下冷却盘223通过螺栓固定在圆筒组件222下部，上冷却盘221包括上出水口2211、上进水口2212，下冷却盘223包括下出水口2231、下进水口2232，上出水口2211、上进水口2212、下出水口2231、下进水口2232分别连接水冷机5的相应接口，使得水流分别对上冷却盘221和下冷却盘223内流动，上冷却盘221和下冷却盘223能够分体冷却，使得整个压力盘模块22冷却效果更佳；

底座模块23还包括下支撑块232、下垫板233、下底盘234，下支撑块232、下垫板233和下底盘234依次通过螺栓固定连接，下支撑块232与压力盘模块22连接，对压力盘模块22起到支撑缓冲作用，下垫板233用于固定支撑块232，下底盘234与底座14固定连接，下支撑块232周向外表面设置有第二接线柱231，便于连接稳压电源4。

更进一步的，如图4所示，上冷却盘221包括上出水口2211、上进水口2212和上盘体2213，上盘体2213中心设置有圆孔，用于圆筒组件222通过该孔轴向往复运动，上盘体2213周向外表面上连接有上出水口2211、上进水口2212，上盘体2213通过螺栓与圆筒组件222上部连接，下冷却盘223包括下出水口2231、下进水口2232和下盘体2233，下盘体2233中心设置有圆孔，用于穿设圆筒组件222，下盘体2233周向外表面上连接有下出水口2231、下进水口2232，下盘体2233通过螺栓与圆筒组件222下部固定连接；

圆筒组件222包括支撑柱2220、支撑盖2221、活塞2222、支撑塞2223、样品2224、支撑垫2225、外筒2227、内筒2228，所述外筒2227套设在所述内筒2228外部，起到保护内筒2228的作用，并且能够起到隔热保温保压作用，所述内筒2228内孔上部设置有有做往复运动的活塞，内孔下部设置有支撑垫2225，支撑垫2225下部为支撑柱2220，支撑柱2220能够对支撑垫2225起到支撑作用，并且保证内筒2228内孔的密封性，支撑柱2220穿过下盘体2233中部的孔与下支撑块232连接，内筒2228、活塞2222及支撑垫2225组成密闭腔2226，活塞2222上部套设有支撑盖2221，支撑盖2221对活塞2222起到支撑保护作用，支撑盖2221穿过上盘体2213中部的孔与支撑块214连接，支撑塞2223直径小于活塞2222直径，活塞2222外径等于密闭腔2226的内径，保证密闭腔2226密封性，密闭腔2226中部由管件及上下支撑部件围设出样品仓2229，样品仓2229上部设置支撑塞2223，活塞2222下部能够与支撑塞2223接触，样品仓2229用于放置样品2224，支撑塞2223作为传递介质用于传递活塞2222的压力，并且对样品2224起到保护作用，样品仓2229内径略等于支撑塞2223的外径，样品仓2229内径为15mm，密闭腔2226内径为50mm，该设置密闭容腔空间较大，能够能够用以精确控制实验样品的温度、压力梯度分布，并且满足经济性要求，样品仓2229腔体空间也较大，能够满足较大尺寸规格样品的实验，并且能够放置多个小尺寸样品同时进行实验；优选的，活塞、内筒和支撑塞均为碳化钨材料制成，能够更好的承受高温高压；

进一步的，在内筒2228、外筒2227、活塞2222和支撑柱2220的周向外表面设置有多个应变片225，以测量实验中压力，在压力盘内部设置应变片225时需要开设测量孔2251，在内筒2228、外筒2227上下两端面设置多个应变片225，需要开设测量孔(图中未画出)，在内筒2228靠近密闭腔2226外周，设置多个热电偶通道224，在支撑垫2225、支撑柱2220中心穿设热电偶通道224直至靠近样品仓2229，用于安装热电偶监测内筒在实验过程中不同点位的温度，为避免传感器导线引出孔对承压结构件整体力学性能产生较大的破坏，在设计中需将引出孔沿圆周方向分散布置，如图4中热电偶通道224的实线与虚线表示不同位置的热电偶在不同的圆周方向。压力盘模块多点位的实时温度与压力监测构建出该模型的运行大数据，基于人工智能技术的分析为该核心模块的可靠稳定运行提供了大数据保障。

进一步的，如图5所示，液压系统6采用伺服控制二级增压装置实现高压实验所需持续稳定高压。其中，液压系统6包括第一阀60、主液压缸61、卸压阀62、主油箱63、第一泵64、第二泵65、第二阀66、第三阀67、伺服阀68、增压缸69、压力表7，其中主油箱63、第二泵65、第三阀67、伺服阀68和增压缸69组成低压控制回路，第一阀60、主液压缸61、卸压阀62、主油箱63、第一泵64、第二阀66、压力表7组成二级增压回路，优选的，第一泵64为高速大流量液压泵，第二泵65为低速小流量伺服泵，增压缸69为双作用单活塞杆液压缸，伺服阀68为三通电液伺服阀，主液压缸61输出的压力作用于滑动盘13，控制滑动盘13向下移动，挤压圆筒组件222进行高温高压实验；

实验开始前，由第一泵64对二级增压回路补充油液，满足主液压缸61运动所需；随后关闭第一泵64，由第三阀67保证无液压油外泄，实验过程压力表7中对二级增压回路压力进行检测，压力值作为控制信号调节第二泵65开启、伺服阀68动作，液压油通过伺服阀68进入增压缸69，推动增压缸69运动，压缩二级增压回路液压油；二级增压回路液压油油压逐渐升高，推动主液压缸61运动，实现高油压输出，当二级增压回路压力过大，第二泵65关闭，伺服阀68动作，增压缸69的液压油通过伺服阀68流入油箱，该液压系统6可降低系统对高压元器件的依赖，增强设备的可靠性与稳定性，同时采用低速小流量伺服泵可保证较高的控制精度，便于实现系统长时间稳定运行，油路高压侧采用增压油缸加压，当实验压力低于设定压力时，及时进行补压，实验压力高于设定压力时，能够及时调整，保证压力稳定，在该实施例中，由于密闭腔2226直径为50mm，实验需要压力为1.5GPa，根据计算需要290吨的液压缸输出力。为保证实验设备具有较高的安全系数，选用350吨主液压缸进行实验。

进一步的，如图1和图2所示，稳压电源4上设置有第一电极41和第二电极42，第一电极41连接第一接线柱211，第二电极42连接第二接线柱231，第一电极41和第二电极42其中一个为正电极，另一个为负电极，稳压电源4能够为合成装置2加热，以满足实验所需温度；水冷机5上设置有第一出水口51、第二出水口52、第二回水口53和第一回水口54，第一出水口51连通上进水口2212，第一回水口54连通上出水口2211，第二出水口52连通下进水口2232，第二回水口53连通下出水口2231，水冷机5与上冷却盘221组成一个循环水路，水冷机5与下冷却盘223组成另一个循环水路，能够提高冷却速度，更好的对合成装置2进行温降。

进一步的，控制系统3主要包括程序控制模块、液压模块、电力模块、反馈模块、软件交互界面五大部分。实验人员通过软件交互界面对控制系统进行干预控制，反馈模块将采集来的温度、压力等信号传输给程序控制模块，程序控制模块在设定参数及预装程序的控制下处理反馈信号，进而控制液压模块和电力模块的操作执行，液压模块控制液压系统6的执行动作，电力模块控制稳压电源4的开启和关闭，优选的，控制系统3的终端为计算机或者手机，在实验开始时，设置实验参数，包括样品仓2229的目标压力、温度等主要参数，以及加热速率、加压速率等辅助参数；在实验过程中，对设备运行情况进行实时监测及反馈，手机APP或者计算机同步监测设备运转情况，设定预警功能，当设备运转情况超出预警值时及时提醒实验人员以进行人工干预，控制系统3所用到的反馈参数主要包括：样品仓压力、压力盘压力、液压缸油压、样品仓温度、压力盘温度、循环水温度、液压油温度等。通过数据采集，将控制信号通过网络汇总到服务器，基于反馈修正算法，对设备的稳定运行进行精确调控，该系统需同时监测液压油泵、伺服阀、运动油缸等零部件的温度、压力参数，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机，以保证设备的安全可靠运行，控制系统3同时具备历史数据查询统计、故障记录查询等功能，方便实验结束后的数据处理与分析。

实验时，控制系统3首先控制液压系统6进行动作，主液压缸61输出压力作用于滑动块13，滑块13沿支柱12向下移动，带动上顶载模块21向下移动，支杆24缩短，上顶载模块21上的支撑块214接触活塞盖2221后，挤压活塞2222向下沿密闭腔2226移动，从而使支撑塞2223挤压样品2224产生压力，在活塞2222向下移动的同时，控制系统3控制稳压电源4对合成装置2加热，同时应变片225检测各测量点压力，热电偶测量相应测量点的温度，测量的压力和温度反馈给控制系统3，控制系统3控制水冷机5的开启和关闭，水冷机5能够对流经上冷却盘221和下冷却盘223的水的流量进行调节，以有效进行温控，水冷机5与稳压电源4的作用能够保证合成装置2产生持续稳定的高温，液压系统6能够保证合成装置2产生持续稳定的高压环境，应变片225和热电偶反馈的信号连同主压力机1、水冷机5、稳压电源4的运行状态信号一起，输入至控制系统3，经程序处理后，输出信号对主压力机1、水冷机5、稳压电源4和液压系统6的运行状态进行调整。

实验完毕后，控制系统3控制液压系统6卸压，控制水冷机5对上冷却盘221和下冷却盘223进行冷却，控制稳压电源4停止加热，使用卸载装置将样品2224从内筒2228中取出。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种高温高压合成设备，其特征在于，包括合成装置、主压力机、水冷机、稳压电源、控制系统和液压系统，所述合成装置设置在所述主压力机内，用以对放置的实验样品进行高温高压实验，所述主压力机输出压力作用于合成装置，所述合成装置通过多个循环管路与所述水冷机连接，用以对合成装置进行温降，所述合成装置通过导线与所述稳压电源相连，以对合成装置加热，并配合所述循环管路控制样品的实验温度，所述液压系统与所述主压力机连接，所述液压系统为伺服控制二级增压系统，用以稳定提供实验所需压力；所述控制系统分别与液压系统、稳压电源、水冷机、主压力机、合成装置连接，以对其运行状态进行控制与显示。

2.根据权利要求1所述的高温高压合成设备，其特征在于，所述合成装置包括底座模块、压力盘模块、上顶载模块，所述压力盘模块设置于底座模块与上顶载模块之间，且由底座模块支撑，所述底座模块与上顶载模块之间通过多个可伸缩支杆连接，所述上顶载模块在主压力机作用下向下移动，与所述底座模块挤压所述压力盘模块。

3.根据权利要求2所述的高温高压合成设备，其特征在于，所述压力盘模块内部沿径向设置有多个热电偶。

4.根据权利要求2所述的高温高压合成设备，其特征在于，所述压力盘模块内部设置有密闭腔，所述密闭腔内设置有样品仓。

5.根据权利要求2所述的高温高压合成设备，所述压力盘模块包括上冷却盘和下冷却盘，所述上冷却盘和所述下冷却盘分别通过循环管路连通所述水冷机。

6.根据权利要求2所述的高温高压合成设备，其特征在于，所述上顶载模块与所述底座模块通过导线连接所述稳压电源。

7.根据权利要求1所述的高温高压合成设备，其特征在于，所述液压系统包括低压控制回路和二级增压回路，所述低压控制回路包括增压缸，所述二级增压回路包括主液压缸，所述低压控制回路油压升高控制增压缸运动，所述增压缸推动所述二级增压回路油压升高并使所述主液压缸运动，所述主液压缸输出高压油以推动上顶载模块向下移动，以实现高压实验所需持续稳定高压。

8.根据权利要求2所述的高温高压合成设备，其特征在于，所述合成装置内设置有多个压力传感器。

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