CN215339372U

CN215339372U - 一种高周循环冷热冲击的试验系统

Info

Publication number: CN215339372U
Application number: CN202120981822.8U
Authority: CN
Inventors: 庞立龙; 王志光; 牟宗信
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2031-05-10

Abstract

本实用新型涉及一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，包括真空腔体、真空系统、测温热电偶、加热系统、降温系统和控制系统；封装有待测试验样品的真空腔体的一端连接真空系统；用于测量待测试验样品温度的测温热电偶的一端接触待测试验样品；真空腔体上开设有用于向真空腔体内充入保护气体的进气口；真空腔体的外侧设置有加热系统和降温系统；控制系统分别连接测温热电偶、加热系统和降温系统，本实用新型加热快速且高效，能够有效模拟高能粒子束流对待测试验样品的加热方式，可以广泛应用于高周循环冷热冲击试验中。

Description

一种高周循环冷热冲击的试验系统

技术领域

本实用新型涉及一种试验系统，特别是关于一种高周循环冷热冲击的试验系统，属于实验设备领域。

背景技术

加速器驱动洁净嬗变系统(ADS)为未来裂变核能的发展开辟了新的路线，它可以有效解决核废料处理的瓶颈问题，其中，高功率散裂靶是ADS中非常关键的部分。现有技术中公开了一种高功率颗粒流散裂靶，是一种由大量尺寸约为Φ1mm的金属靶球组成的流化固体靶，中子学性能好，与结构材料兼容性好，可在重力诱导下连续流动，成为非常有应用潜力的散裂靶靶型。这些金属靶球在He气氛围下运行，将受到严酷工况的考验，在流经束靶耦合区时，高能粒子束将直接轰击金属靶球，引起温度急剧上升，在数秒钟内达到450℃以上；在金属靶球流经换热区时，快速降温，将热量置换出去；散裂靶运行一年内，金属靶球将经受几万次上述冷热冲击过程。

因此，为充分评估束流轰击引起金属靶球的抗冷热冲击性能，急需开展相关的高周循环冷热冲击实验进行验证。目前，相关的研究材料冷热冲击性能的实验设备很多，但是均采用常规的加热手段，热源均设置在实验样品外部，因此加热过程均是从材料表面向内加热，需要指出的是，粒子束流轰击材料引起的加热不同于上述常规的加热方式，高能粒子在入射材料内部逐渐损失能量，因此它引起的加热方式是对材料内外同时整体加热，不存在由表向内或逆向的加热过程。

鉴于高能粒子束流加热的特殊性，现有的循环热冲击实验设备很难实现高能粒子束流加热的效果，且这些设备的设计方案主要是实现冷热冲击样品在高低温区频繁循环转移，其可动部件较多，结构设计和程序控制较复杂，如果开展高周循环实验对其运行的可靠性也提出很大的挑战。另外，如果直接采用高能粒子束轰击加热的方法开展靶球的热冲击试验，则成本高、周期长，且容易在材料中产生放射性活化效应，后续分析非常不便。因此，开发一种能够模拟颗粒流散裂靶运行过程中靶球在经受高能粒子轰击引起热冲击和后续快速降温冷冲击的试验系统则显得十分重要。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种高周循环冷热冲击的试验系统，能够模拟颗粒流散裂靶运行过程中试验样品在经受高能粒子轰击引起热冲击和后续快速降温的冷冲击。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种高周循环冷热冲击的试验系统，包括真空腔体、真空系统、测温热电偶、加热系统、降温系统和控制系统；

封装有待测试验样品的所述真空腔体的一端连接所述真空系统，所述真空系统用于对所述真空腔体抽真空以及检测所述真空腔体的真空度；用于测量待测试验样品温度的所述测温热电偶的一端接触待测试验样品；所述真空腔体上开设有用于向所述真空腔体内充入保护气体的进气口；所述真空腔体的外侧设置有所述加热系统和降温系统；

所述控制系统分别连接所述测温热电偶、加热系统和降温系统。

优选地，所述包括电磁感应线圈和加热电源；

所述电磁感应线圈围设固定在所述真空腔体的外侧，所述电磁感应线圈连接所述加热电源；

所述控制系统分别连接所述电磁感应线圈和加热电源，所述控制系统用于通过所述加热电源经所述电磁感应线圈为所述真空腔体内的待测试验样品进行加热。

优选地，所述加热电源采用中频电磁加热电源。

优选地，所述真空腔体的外侧还设置有用于固定所述电磁感应线圈的框架结构。

优选地，所述降温系统采用风冷系统或液氮系统。

优选地，待测试验样品与所述真空腔体内壁接触。

优选地，所述真空腔体采用石英玻璃管或金属管。

优选地，所述真空腔体的长度为10～50cm。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本实用新型由于设置有加热系统和降温系统，结构简单、紧凑，占地面积小，能够实现待测试验样品的内部快速加热，加热快速且高效，能够有效模拟高能粒子束流对待测试验样品的加热方式。

2、本实用新型没有可动部件，不需要频繁地待测试验样品，不同环节阶段间的切换快速，控制系统具有保护功能，能够充分保证系统的长期安全、稳定运行。

3、由于试验过程中待测试验样品始终处于固定位置，测温热电偶一直与待测试验样品接触，能够对待测试验样品进行精确测温，实时检测待测试验样品的升温和降温速率，同时也有利于在保温阶段对待测试验样品温度的控制。

4、与现有技术中采用大空间的真空腔体结构不同，本实用新型采用长管作为装载待测试验样品的真空腔体，体积小且表面积大，通过调整加热系统和降温系统，既可以实现缓慢降温也可以实现快速降温，降温速率可以根据实际需要调节，本实用新型可以广泛应用于高周循环冷热冲击试验中。

附图说明

图1是本实用新型一实施例提供的试验系统的整体结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的试验系统中真空腔体内待测试验样品的封装示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的试验系统中待测试验样品的安装位置俯视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本实用新型实施例提供的高周循环冷热冲击的试验系统采用一定尺寸规格的长管体直接作为真空腔体，将待测试验样品例如靶球固定设置在管体内部，在真空环境或保护气环境下，采用电磁感应加热方式在靶球内部产生涡流，模拟高能粒子束流轰击加热，对靶球进行整体迅速、均匀加热，实现真空环境或保护气下的冷热冲击试验。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例提供一种高周循环冷热冲击的试验系统，包括真空腔体1、真空系统2、测温热电偶3、加热系统4、降温系统5和控制系统6。

真空腔体1内封装有待测试验样品7，且待测试验样品7与真空腔体1内壁接触。真空腔体1的一端连接真空系统2，真空系统2用于对真空腔体1抽真空以及检测真空腔体1的真空度。测温热电偶3的一端接触待测试验样品7，测温热电偶3用于测量待测试验样品7的温度，测温热电偶3的另一端穿出真空腔体1的另一端连接控制系统6。真空腔体1上开设有进气口11，用于向真空腔体1内充入保护气体。真空腔体1的外侧设置有加热系统4和降温系统5，加热系统4用于对真空腔体1进行加热，降温系统5用于对真空腔体1进行降温。

控制系统6分别连接测温热电偶3、加热系统4和降温系统5，控制系统6用于根据预设的参数和测温热电偶3测量的温度，通过加热系统4为真空腔体1内的待测试验样品7进行加热或通过降温系统5为真空腔体1内的待测试验样品7进行降温。

在一个优选的实施例中，真空腔体1为管状结构，可以采用石英玻璃管或金属管，真空腔体1的长度为10～50cm。

在一个优选的实施例中，加热系统4可以采用电磁感应加热系统，包括电磁感应线圈41和加热电源42。电磁感应线圈41围绕设置在真空腔体1的外侧，电磁感应线圈41连接加热电源42。控制系统6分别连接电磁感应线圈41和加热电源42，控制系统6用于通过加热电源42经电磁感应线圈41为真空腔体1内的待测试验样品7进行加热。

在一个优选的实施例中，加热电源42可以采用一百赫兹至几十兆赫兹的中频电磁加热电源。

在一个优选的实施例中，如图1所示，真空腔体1的外侧还设置有用于固定电磁感应线圈41的框架结构8。

在一个优选的实施例中，降温系统5可以采用风冷系统或液氮系统。

在一个优选的实施例中，控制系统6内设置有参数设定模块、温度检测模块、加热控制模块和降温控制模块。参数设定模块用于预先设定循环目标加热温度、循环目标降温温度和循环冲击次数，并根据实际升温速率需求和实际降温速率需求，设定加热功率程序和降温功率程序。温度检测模块用于通过测温热电偶3测量待测试验样品7的温度。加热控制模块用于根据预设的循环目标加热温度和加热功率程序，通过加热电源42经电磁感应线圈41对真空腔体1内的待测试验样品7进行加热。降温控制模块用于根据预设的循环目标降温温度和降温功率程序，通过降温系统5对真空腔体1内的待测试验样品7进行降温。

在一个优选的实施例中，加热系统4和降温系统5通过RS232接口、RS485接口或PLC接口连接控制系统6。

实施例2

下面通过具体实施例详细说明本实用新型高周循环冷热冲击的试验系统的使用方法，包括以下步骤：

1)打开真空腔体1，封装待测试验样品7，并将测温热电偶3的一端与待测试验样品7接触，将封装有待测试验样品7的真空腔体1连接到真空系统2上。

2)开启真空系统2，对真空腔体1抽真空，当达到预设的真空度时，关闭真空系统2，并通过进气口向真空腔体1内充入保护气体。

3)控制系统6预先设定循环目标加热温度、循环目标降温温度和循环冲击次数，并根据实际升温速率需求和实际降温速率需求，设定加热功率程序和降温功率程序。

4)测温热电偶3实时测量待测试验样品7的温度。

5)开启加热电源42，控制系统6根据预设的循环目标加热温度和加热功率程序，通过加热电源42经电磁感应线圈41对真空腔体1进行加热，当真空腔体1内待测试验样品7的温度达到循环目标加热温度并保温预设的一定时间后，关闭加热电源42，停止对真空腔体1进行加热，其中，保温时间可以根据实验循环周期自行设定，几秒至几个小时均可。

6)启动降温系统5，控制系统6根据预设的循环目标降温温度和降温功率程序，通过降温系统5对真空腔体1进行降温，当真空腔体1内待测试验样品7的温度达到循环目标降温温度并保温预设的一定时间后，关闭降温系统5，完成一次热循环冲击试验。

7)重复步骤5)和步骤6)，直至达到预先设定的循环冲击次数。

在实际使用中，本实用新型采用20kHz的中频电磁加热电源42，加热均匀，升温速率范围为50～200℃/s，最高温度可达2000℃。降温速率可控制在30～100℃/s，最低温度可达-170℃，循环次数可达10⁴～10⁶次，可以实现24小时自动循环试验。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1.一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，包括真空腔体、真空系统、测温热电偶、加热系统、降温系统和控制系统；

2.如权利要求1所述的一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，所述加热系统包括电磁感应线圈和加热电源；

3.如权利要求2所述的一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，所述加热电源采用中频电磁加热电源。

4.如权利要求2所述的一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，所述真空腔体的外侧还设置有用于固定所述电磁感应线圈的框架结构。

5.如权利要求1所述的一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，所述降温系统采用风冷系统或液氮系统。

6.如权利要求1所述的一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，待测试验样品与所述真空腔体内壁接触。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，所述真空腔体采用石英玻璃管或金属管。

8.如权利要求1至6任一项所述的一种高周循环冷热冲击的试验系统，其特征在于，所述真空腔体的长度为10～50cm。