DE102019127728B4 - Test device for conducting mechanical tests at cryogenic temperatures - Google Patents

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Abstract

Prüfvorrichtung (14) zur Durchführung von mechanischen Versuchen bei kryogenen Temperaturen in einem Prüfstand mit einer Krafteinleitungsvorrichtung, insbesondere in einer Universal-Werkstoffprüfmaschine, umfassend- eine obere Einspannung (1) und eine untere Einspannung (2) zur Verbindung mit der Krafteinleitungsvorrichtung, wobei ein zu prüfender Prüfkörper (4) an einem oberen Prüfkörperende (4a) mit der oberen Einspannung (1) und an einem unteren Prüfkörperende (4b) mit der unteren Einspannung (2) verbindbar ist,- zumindest ein zwischen der oberen (1) und unteren (2) Einspannung angeordnetes Kühlelement (5), wobei der zu prüfende Prüfkörper (4) von dem zumindest einem Kühlelement (5) zumindest teilweise ummantelbar ist,- eine Ummantelung (3), wobei die Ummantelung (3) die obere Einspannung (1), die untere Einspannung (2) und das zumindest eine Kühlelement (5) umschließt und gasdicht mit der oberen Einspannung (1) und unteren Einspannung (2) verbunden ist.Test device (14) for carrying out mechanical tests at cryogenic temperatures in a test bench with a force introduction device, in particular in a universal materials testing machine, comprising - an upper clamping device (1) and a lower clamping device (2) for connection to the force introduction device, wherein a test specimen (4) to be tested can be connected to the upper clamping device (1) at an upper test specimen end (4a) and to the lower clamping device (2) at a lower test specimen end (4b), - at least one cooling element (5) arranged between the upper (1) and lower (2) clamping devices, wherein the test specimen (4) to be tested can be at least partially encased by the at least one cooling element (5), - a casing (3), wherein the casing (3) encloses the upper clamping device (1), the lower clamping device (2) and the at least one cooling element (5) and is connected in a gas-tight manner to the upper clamping device (1) and lower clamping device (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Durchführung von mechanischen Versuchen bei kryogenen Temperaturen und ein Verfahren zur Einrichtung einer messbereiten Prüfvorrichtung.The invention relates to a test device for carrying out mechanical tests at cryogenic temperatures and a method for setting up a test device ready for measurement.

Zur Qualifizierung und/ oder Zertifizierung von Strukturbauteilen ist die Durchführung experimenteller Versuche zur Nachweisführung erforderlich. In dafür ausgelegten Prüfständen werden bei der Durchführung des Prüfungsverfahrens das Verhalten und die Werkstoffkenngrößen von normierten und nicht normierten Werkstoffproben oder fertigen Bauteilen ermittelt. Die Prüfungsverfahren sehen dabei regelmäßig eine mechanische, thermische und/oder chemische Beanspruchung der Werkstoffproben oder Bauteile vor.For the qualification and/or certification of structural components, experimental tests must be carried out to provide evidence. The behavior and material parameters of standardized and non-standardized material samples or finished components are determined in test benches designed for this purpose. The test procedures regularly involve subjecting the material samples or components to mechanical, thermal and/or chemical stress.

Insbesondere Bauteile oder Werkstoffe die in der Raumfahrt zum Einsatz kommen sind hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Hier ist vor allem die thermische Beanspruchung als kritischer Faktor zu betrachten, da viele Bauteile oder Werkstoffe dem kryogenen Temperaturbereich (4 K, 20 K, 77 K) standhalten müssen. Im Allgemeinen ist Kryogen als ein Begriff für Stoffe, Prozesse und Eigenschaften im Zusammenhang mit extrem niedrigen Temperaturen zu verstehen. Dabei werden die kryogenen Temperaturen durch flüssigen Stickstoff für 77 K, flüssigen Wasserstoff für 20 K und flüssiges Helium für 4 K erzeugt. Demnach ist es notwendig sowohl die verwendeten Werkstoffe als auch fertige Bauteile bei kryogenen Temperaturen zu prüfen.Components or materials used in space travel in particular are exposed to high mechanical and thermal stress. Thermal stress is a critical factor here, as many components or materials must withstand the cryogenic temperature range (4 K, 20 K, 77 K). In general, cryogenic is a term for substances, processes and properties associated with extremely low temperatures. Cryogenic temperatures are generated by liquid nitrogen for 77 K, liquid hydrogen for 20 K and liquid helium for 4 K. It is therefore necessary to test both the materials used and the finished components at cryogenic temperatures.

Im Stand der Technik werden Versuche zur Werkstoffprüfung bei kryogenen Temperaturen in sogenannten Kryostaten durchgeführt. Hierbei unterscheidet man vor allem zwischen Badkryostaten und Verdampferkryostaten.In the current state of the art, material testing experiments are carried out at cryogenic temperatures in so-called cryostats. A distinction is made here mainly between bath cryostats and evaporator cryostats.

Bei Badkryostaten, wie beispielsweise in der US 3 212 320 A beschrieben, wird der Prüfkörper in eine speziell ausgelegte Kammer eingespannt. Diese Kammer ist über Zugstäbe mit dem Prüfstand verbunden und von einem Kryobad-Gehäuse umgeben. Dieses Kryobad-Gehäuse ist wie ein doppelwandiges Isoliergefäß aufgebaut und umfasst diverse Zu- und Ableitungen für Gase und Flüssigkeiten. Um nun den Prüfkörper bei kryogenen Temperaturen zu prüfen, wird das gesamte Gehäuse mit einer kryogenen Flüssigkeit geflutet. Demnach ist hier die Kammer, die den Prüfkörper umgibt, vollständig von einer kryogenen Flüssigkeit umgeben. Wird der Prüfkörper beispielsweise in Flüssigstickstoff getaucht, reichert sich im Flüssigstickstoffbad über die Nutzungsdauer des Bades flüssiger Stickstoff an. Auf viele Proben, wie z.B. Faserkunststoffverbunde kann die Wirkung des flüssigen Stickstoffs einen unerwünschten Einfluss haben.In bath cryostats, such as in the US 3 212 320 A As described, the test specimen is clamped into a specially designed chamber. This chamber is connected to the test bench via tension rods and is surrounded by a cryogenic bath housing. This cryogenic bath housing is constructed like a double-walled insulating vessel and includes various inlet and outlet lines for gases and liquids. In order to test the test specimen at cryogenic temperatures, the entire housing is flooded with a cryogenic liquid. The chamber surrounding the test specimen is therefore completely surrounded by a cryogenic liquid. If the test specimen is immersed in liquid nitrogen, for example, liquid nitrogen accumulates in the liquid nitrogen bath over the service life of the bath. The effect of liquid nitrogen can have an undesirable influence on many samples, such as fiber-plastic composites.

Bei den Verdampferkryostaten erfolgt die Kühlung über ein kryogenes Gas. Das kryogene Gas wird dabei durch das Verdampfen und Anwärmen einer kryogenen Flüssigkeit erzeugt („Handbuch der Vakuumtechnik: Theorie und Praxis“, Karl Jousten, Vieweg + Teubner, 9. überarbeitete Auflage, 2006).In the case of evaporator cryostats, cooling is achieved using a cryogenic gas. The cryogenic gas is generated by evaporating and heating a cryogenic liquid (“Handbook of Vacuum Technology: Theory and Practice”, Karl Jousten, Vieweg + Teubner, 9th revised edition, 2006).

Badkryostaten und Verdampferkryostaten sind hinsichtlich der Geometrie sehr flexibel einsetzbar, da die Prüfkörper von einem Fluid umgeben werden. Mit dem Badkryostaten sind annähernd die Temperaturen der Kühlflüssigkeiten erreichbar, da mit Hilfe der Flüssigkeiten sehr effizient gekühlt werden kann. Allerdings ist die Apparatur für einen Badkryostaten deutlich komplexer. Bei Verdampferkryostaten können die Temperaturbereiche der Kühlflüssigkeiten nicht annähernd erreicht werden, weil die Kühlung mittels eines Gases deutlich ineffizienter ist. Allerdings ist der Aufbau eines solchen Systems weniger komplex.Bath cryostats and evaporator cryostats are very flexible in terms of geometry, as the test specimens are surrounded by a fluid. With the bath cryostat, the temperatures of the cooling liquids can be achieved almost as efficiently as with the liquids. However, the equipment for a bath cryostat is much more complex. With evaporator cryostats, the temperature ranges of the cooling liquids cannot be achieved anywhere near because cooling using a gas is much less efficient. However, the structure of such a system is less complex.

Sowohl bei Badkryostaten als auch bei Verdampferkryostaten herrschen hohe Anforderungen an die Prüfmaschine und den Prüfaufbau. Bei der Auslegung der Kryostate muss entweder eine konstruktive thermische Entkopplung der Sensoren stattfinden, um eine Zerstörung der konventionellen Sensorik, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, Thermoelemente oder Temperaturfühler, aufgrund der extrem niedrigen Temperaturen zu verhindern oder es müssen tiefenbeständige Sensoren im Kryostaten vorgesehen werden. Ferner ist auch die in der handelsüblichen Universalprüfmaschine integrierte Messtechnik (z.B. die Kraftmessdose) gegen den Kälteeinfluss zu schützen. Sollten die Temperaturen an sensibler Sensorik in der Universalprüfmaschine, beispielsweise an der Kraftmessdose, unter den Gefrierpunkt fallen kann sich aufgrund der Luftfeuchtigkeit an dieser Stelle Eis bilden. Steigt die Temperatur in diesem Bereich wieder über den Gefrierpunkt bildet sich Tauwasser, das die Messtechnik in der Prüfmaschine beschädigen kann. Dies führt zumeist zu speziell gefertigten Prüfvorrichtungen, welche zum einen stationär, d.h. sie sind speziell für eine Prüfanlage konstruiert, und zum anderen kostenintensiv sind. Dadurch dass der Prüfkörper vollständig von einem kryogenen Bad umgeben ist, ist es nicht möglich das Verhalten des Werkstoffs oder Bauteils bei Temperaturschwankungen zu messen oder einen Temperaturgradient in dem Werkstoff oder Bauteil für die Messung einzustellen. Jedoch ist gerade die Werkstoffprüfung des Werkstoffes oder Bauteils mit einem Temperaturgradient ein sicherheitsrelevanter Faktor für Anwendung im Raumfahrtbereich, wie beispielsweise bei Tankstrukturen von Trägerraketen. Ferner besteht beim Ein- oder Ausbau des Prüfkörpers das Risiko einer Kälteverbrennung des Benutzers.Both bath cryostats and evaporator cryostats have high requirements for the testing machine and the test setup. When designing the cryostats, either a constructive thermal decoupling of the sensors must take place in order to prevent the destruction of conventional sensors, such as strain gauges, thermocouples or temperature sensors, due to the extremely low temperatures, or depth-resistant sensors must be provided in the cryostat. Furthermore, the measuring technology integrated in the commercially available universal testing machine (e.g. the load cell) must also be protected against the effects of cold. If the temperatures on sensitive sensors in the universal testing machine, for example on the load cell, fall below freezing, ice can form at this point due to the humidity. If the temperature in this area rises above freezing again, condensation forms, which can damage the measuring technology in the testing machine. This usually leads to specially manufactured test devices which are stationary on the one hand, i.e. they are specially designed for a test system, and on the other hand are expensive. Because the test specimen is completely surrounded by a cryogenic bath, it is not possible to measure the behavior of the material or component when there are temperature fluctuations or to set a temperature gradient in the material or component for the measurement. However, material testing of the material or component with a temperature gradient is a safety-relevant factor for applications in the space sector, such as tank structures for launch vehicles. Furthermore, when setting or removal of the test specimen there is a risk of cold burns to the user.

Ergänzend zum Stand der Technik wird noch auf die Druckschriften DE 100 63 262 A1 und KR 10 2018 0 073 955 A verwiesen.In addition to the state of the art, reference is made to the publications DE 100 63 262 A1 and KR 10 2018 0 073 955 A referred to.

Bisher war es nicht möglich, eine derartige Prüfvorrichtung flexibel in unterschiedlichen Prüfanlagen einzusetzen und einen Prüfkörper auf einfache Art und Weise diversen Prüfzuständen auszusetzen.Until now, it was not possible to use such a test device flexibly in different test systems and to subject a test specimen to various test conditions in a simple manner.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Prüfvorrichtung anzugeben, die auf einfache Art und Weise den Einbau und Einsatz ermöglicht und gleichzeitig den Bereich der Prüfzustände erweitert. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, um die Prüfvorrichtung in einen messbereiten Zustand zu bringen.The object of the invention is to provide a test device that allows installation and use in a simple manner and at the same time expands the range of test states. Furthermore, the object of the invention is to provide a method for bringing the test device into a state ready for measurement.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 11. Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 13 und 14.According to the invention, this object is achieved by a testing device with the features of independent claim 1. Advantageous further developments of the device arise from the subclaims 2 to 11. Furthermore, the object of the invention is achieved by a method according to claim 12. Advantageous further developments of the method arise from the subclaims 13 and 14.

Eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung zur Durchführung von mechanischen Versuchen bei kryogenen Temperaturen in einem Prüfstand mit einer Krafteinleitungsvorrichtung, insbesondere in einer Universal-Werkstoffprüfmaschine, umfasst eine obere Einspannung und eine untere Einspannung zur Verbindung mit der Krafteinleitungsvorrichtung, zumindest ein zwischen der oberen und unteren Einspannung angeordnetes Kühlelement und eine Ummantelung. Dabei ist ein zu prüfender Prüfkörper an einem oberen Prüfkörperende mit der oberen Einspannung und an einem unteren Prüfkörperende mit der unteren Einspannung verbindbar. Des Weiteren ist der zu prüfende Prüfkörper von dem zumindest einem Kühlelement zumindest teilweise ummantelbar. Bei besonders vorteilhafter Ausgestaltung entspricht die Kontur des Kühlelements im Wesentlichen der Kontur des Prüfkörpers. Die Ummantelung dient zum Schutz gegenüber der Umgebung und umschließt dafür die obere Einspannung, die untere Einspannung und das zumindest eine Kühlelement. Um die Prüfbedingungen und im Prüfbetrieb die kryogenen Temperaturen konstant zu halten ist die Ummantelung gasdicht mit der oberen Einspannung und unteren Einspannung verbunden. Ferner ist es auch denkbar, dass die Ummantelung die Prüfvorrichtung am Gehäuse der Prüfmaschine oder auch an dem Prüfkörper umschließt und gasdicht abschließt. Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung ermöglicht ein langsames Abkühlen des Prüfkörpers, so dass eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung erreicht und ein sogenannter „Kryoschock“ vermieden werden kann. Dies vermindert bereits unerwünschte Spannungen, die zu schnellem Versagen des Prüfkörpers während der Prüfung in der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung führen können und das Messergebnis verfälschen würden.A test device according to the invention for carrying out mechanical tests at cryogenic temperatures in a test bench with a force introduction device, in particular in a universal materials testing machine, comprises an upper clamping and a lower clamping for connection to the force introduction device, at least one cooling element arranged between the upper and lower clamping and a casing. A test specimen to be tested can be connected to the upper clamping at an upper test specimen end and to the lower clamping at a lower test specimen end. Furthermore, the test specimen to be tested can be at least partially covered by the at least one cooling element. In a particularly advantageous embodiment, the contour of the cooling element essentially corresponds to the contour of the test specimen. The casing serves to protect against the environment and encloses the upper clamping, the lower clamping and the at least one cooling element. In order to keep the test conditions and the cryogenic temperatures constant during testing, the casing is connected to the upper clamping and lower clamping in a gas-tight manner. It is also conceivable that the casing encloses the test device on the housing of the test machine or on the test specimen and seals it gas-tight. The test device according to the invention enables the test specimen to cool down slowly, so that an essentially homogeneous temperature distribution is achieved and a so-called "cryoshock" can be avoided. This already reduces undesirable stresses that can lead to rapid failure of the test specimen during testing in the test device according to the invention and would falsify the measurement result.

Der eingesetzte Prüfkörper kann dabei mehrteilig ausgeführt sein, wobei die einzelnen Teile des Prüfkörpers miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt, vernietet, gesteckt, geclipst oder verklebt, sind. Dies ist besonders vorteilhaft, um Verbindungskonzepte, beispielsweise Verschraubungen, Vernietungen, Steck-, Clips-, oder Klebeverbindungen, zu prüfen.The test specimen used can be made up of several parts, with the individual parts of the test specimen being connected to one another, for example screwed, riveted, plugged, clipped or glued. This is particularly advantageous for testing connection concepts, for example screwed, riveted, plugged, clipped or glued connections.

Des Weiteren bietet die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung, insbesondere bei Proben aus Werkstoffen mit geringer Wärmeleitung, die Möglichkeit den Leidenfrost-Effekt zu umgehen. Im Stand der Technik bildet sich bei Proben aus Faserkunststoffverbunden, die eine geringe Wärmeleitung aufweisen, und die direkt in Flüssigstickstoff getaucht werden eine Gasphase an der Oberfläche aus, welche die Wärmeleitung enorm herabsetzt, was als Leidenfrost-Effekt bezeichnet wird. Da in der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung der Prüfkörper nicht direkt mit der kryogenen Flüssigkeit und/oder Gas in Berührung kommt, sondern diese mittels des Kühlelements langsam abgekühlt wird und zudem die Prüfvorrichtung eine bessere Wärmeleitung und geringere Wärmekapazität als der Prüfkörper aufweist, wird der Leidenfrost-Effekt reduziert. Ferner können mittels Wärmeleitung vom Kühlelement zum Prüfkörper große Wärmeströme erreicht werden.Furthermore, the test device according to the invention offers the possibility of avoiding the Leidenfrost effect, especially for samples made of materials with low thermal conductivity. In the prior art, in samples made of fiber-plastic composites that have low thermal conductivity and that are immersed directly in liquid nitrogen, a gas phase forms on the surface, which greatly reduces thermal conductivity, which is referred to as the Leidenfrost effect. Since in the test device according to the invention the test specimen does not come into direct contact with the cryogenic liquid and/or gas, but rather this is slowly cooled by means of the cooling element, and the test device also has better thermal conductivity and lower heat capacity than the test specimen, the Leidenfrost effect is reduced. Furthermore, large heat flows can be achieved by means of thermal conduction from the cooling element to the test specimen.

Zur Verbindung der Ummantelung mit der oberen und unteren Einspannung kann an der dem Prüfkörper abgewandten Seite der jeweiligen Einspannung ein Zapfen vorgesehen sein. Dieser Zapfen weist vorteilhafterweise eine geringere Abmessung als die jeweilige Einspannung auf, wodurch die in der Ummantelung vorgesehen Öffnungen zum Verbinden an der jeweiligen Einspannung kleiner gestaltet werden kann. Dies verringert die abzudichtende Fläche zwischen den Einspannungen bzw. dem Zapfen und der Ummantelung.To connect the casing to the upper and lower clamps, a pin can be provided on the side of the respective clamp facing away from the test specimen. This pin is advantageously smaller than the respective clamp, which means that the openings provided in the casing for connecting to the respective clamp can be made smaller. This reduces the area to be sealed between the clamps or the pin and the casing.

Da in der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung einzelne zusammensetzbare Bauteile eingesetzt werden, ist zum einen das Nachrüsten bereits bestehender Systeme auf einfache Art und Weise möglich, zum anderen ist die Prüfvorrichtung dadurch unabhängig von der Größe des Prüfkörpers und kann auf einfache Art und Weise an die jeweilige Größe des Prüfkörpers angepasst werden. Des Weiteren führt die Verwendung eines Kühlelementes zu einer physikalischen, insbesondere thermischen, Entkopplung des Prüfkörpers, der Kühlung und der Messsensorik von der Kühlflüssigkeit bzw. -gas, da hier kein direkter Kontakt zwischen der kryogenen Flüssigkeit bzw. Gas und dem Prüfkörper und/oder der Messsensorik mehr besteht, so dass die Möglichkeit der Verwendung konventioneller Messsensorik gegeben ist. Um den Prüfkörper schnell und gleichmäßig abzukühlen, ist es besonders vorteilhaft, wenn das zumindest eine Kühlelement aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Stahl oder Aluminium, besteht.Since the test device according to the invention uses individual components that can be assembled, it is possible to retrofit existing systems in a simple manner, and the test device is therefore independent of the size of the test specimen and can be easily adapted to the respective size of the test specimen. Furthermore, the use of a cooling element leads to a physical, in particular thermal, Decoupling of the test specimen, the cooling and the measuring sensors from the cooling liquid or gas, since there is no longer any direct contact between the cryogenic liquid or gas and the test specimen and/or the measuring sensors, so that the possibility of using conventional measuring sensors is given. In order to cool the test specimen quickly and evenly, it is particularly advantageous if at least one cooling element is made of a material with a high thermal conductivity, preferably steel or aluminum.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Prüfkörper formschlüssig und/oder reibschlüssig mit der oberen Einspannung und formschlüssig und/oder reibschlüssig mit der unteren Einspannung verbindbar. Dies stellt eine sichere Verbindung dar, die einfach und schnell erzeugt werden kann und ermöglicht weiterhin ein schnelles Austauschen von zu prüfenden Prüfkörpern.In an advantageous embodiment, the test specimen can be connected to the upper clamping device in a form-fitting and/or friction-fitting manner and to the lower clamping device in a form-fitting and/or friction-fitting manner. This represents a secure connection that can be created quickly and easily and also enables the test specimens to be tested to be exchanged quickly.

Weiterhin ist es denkbar, dass der Prüfkörper formschlüssig und/oder kraftschlüssig an dem zumindest einen Kühlelement befestigbar ist. Dies stellt eine sichere Verbindung dar, die einfach und schnell erzeugt werden kann und ermöglicht weiterhin ein schnelles Austauschen von zu prüfenden Prüfkörpern. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem zu prüfenden Prüfkörper und dem zumindest einen Kühlelement eine Klemmverbindung hergestellt wird.It is also conceivable that the test specimen can be attached to the at least one cooling element in a form-fitting and/or force-fitting manner. This represents a secure connection that can be created quickly and easily and also enables test specimens to be tested to be exchanged quickly. It is particularly advantageous if a clamp connection is created between the test specimen to be tested and the at least one cooling element.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das zumindest eine Kühlelement eine Zuleitung zum Befüllen eines Kühlelementhohlraums mit einer kryogenen Flüssigkeit und eine Ableitung zum Entleeren des Kühlelementhohlraums aufweist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn an der Zuleitung ein Eingangsventil und an der Ableitung ein Ausgangsventil vorgesehen ist, welches jeweils als Sicherheits-/ Druckablassventil ausgebildet ist. Hier wird im messbereiten Zustand die Abkühlung des zu prüfenden Prüfkörpers durch den mit kryogener Flüssigkeit befüllten Kühlelementhohlraum erreicht. Dies reduziert die Verletzungsgefahr des Benutzers, da dieser weder während des Einbaus noch während des Befüllens mit der kryogenen Flüssigkeit in Kontakt kommt. Während des Befüllvorgangs über die Zuleitung wird das sich im Kühlelementhohlraum befindliche Medium über die Ableitung abgeführt. Dabei ist es denkbar, dass die kryogene Flüssigkeit in einem Kreislauf geführt wird, das heißt, dass die Zuleitung und die Ableitung sind mit einem Kühlmittelreservoir verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Zuleitung und die Ableitung mit unterschiedlichen Kühlmittelreservoirs verbunden sind. Je nach Konfiguration sind diverse Prüfzustände denkbar, beispielsweise kann das zumindest eine Kühlelement kontinuierlich oder diskontinuierlich mit kryogener Flüssigkeit befüllt werden. Dabei ist kontinuierlicher Befüllung des zumindest eine Kühlelementes zu verstehen, dass das Kühlelement, auch während der Messung, von der kryogenen Flüssigkeit durchflossen wird. Währenddessen befindet sich bei diskontinuierlicher Befüllung die kryogene Flüssigkeit während der Messung in Ruhe. Zur Gewährleistung einer sicheren kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Befüllung des zumindest einen Kühlelementes, ist es besonders vorteilhaft, wenn zum Druckausgleich ein Sicherheit-/ Druckablassventil vorgesehen ist.A particularly advantageous embodiment provides that the at least one cooling element has a supply line for filling a cooling element cavity with a cryogenic liquid and a drain line for emptying the cooling element cavity. It is particularly advantageous if an inlet valve is provided on the supply line and an outlet valve is provided on the drain line, each of which is designed as a safety/pressure relief valve. In the ready-to-measure state, the cooling of the test specimen to be tested is achieved by the cooling element cavity filled with cryogenic liquid. This reduces the risk of injury to the user, since the user does not come into contact with the cryogenic liquid either during installation or during filling. During the filling process via the supply line, the medium in the cooling element cavity is drained via the drain line. It is conceivable that the cryogenic liquid is guided in a circuit, i.e. that the supply line and the drain line are connected to a coolant reservoir. However, it is also possible for the supply line and the discharge line to be connected to different coolant reservoirs. Depending on the configuration, various test states are conceivable, for example the at least one cooling element can be filled continuously or discontinuously with cryogenic liquid. Continuous filling of the at least one cooling element means that the cryogenic liquid flows through the cooling element, even during the measurement. Meanwhile, with discontinuous filling, the cryogenic liquid is at rest during the measurement. To ensure safe continuous or discontinuous filling of the at least one cooling element, it is particularly advantageous if a safety/pressure relief valve is provided for pressure equalization.

Um eine gleichmäßige Wärmeübertragung zu gewährleisten, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Prüfkörper vollständig von dem zumindest einem Kühlelement ummantelbar ist. Weiterhin ist es denkbar, dass durch eine konstruktive Gestaltung die Oberfläche des zumindest einen Kühlelementes vergrößert wird, beispielsweise durch Kühlrippen. Dies erhöht die Oberfläche an der die kryogene Flüssigkeit verdampfen kann, wodurch die Kühlleistung erhöht wird. Ferner kann an der Kontaktfläche zwischen dem Prüfkörper und dem zumindest einen Kühlelement ein Vakuumfett oder eine Wärmeleitpaste zum Einsatz kommt, um den Wärmeübergang zu verbessern bzw. positiv zu beeinflussen.In order to ensure uniform heat transfer, it is particularly advantageous if the test body can be completely covered by the at least one cooling element. It is also conceivable that the surface of the at least one cooling element is enlarged by a structural design, for example by means of cooling fins. This increases the surface area on which the cryogenic liquid can evaporate, thereby increasing the cooling performance. Furthermore, a vacuum grease or a thermal paste can be used on the contact surface between the test body and the at least one cooling element in order to improve or positively influence the heat transfer.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das zumindest eine Kühlelement einteilig oder mehrteilig ausgeführt. Dies erlaubt eine Anpassung an die jeweilige Kraftaufbringungsvorrichtung bzw. den zu prüfenden Prüfkörper und erhöht demnach die Flexibilität der Prüfvorrichtung. Dabei ist ein einteiliges Kühlelement einfach zu handhaben und einzubauen. Ein mehrteiliges Kühlelement, bei welchem die Einzelteile trennbar aber gas- bzw. flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind, hingegen erlaubt eine einfache Fertigung und Reinigung.In an advantageous embodiment, the at least one cooling element is designed as a single or multiple part. This allows adaptation to the respective force application device or the test specimen to be tested and thus increases the flexibility of the test device. A single-part cooling element is easy to handle and install. A multiple-part cooling element, in which the individual parts are separable but connected to one another in a gas- or liquid-tight manner, on the other hand allows for easy production and cleaning.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das zumindest eine Kühlelement an einer der oberen Einspannung zugewandten Seite offen ist. Ein derartiges Kühlelement kommt ohne eine Zuleitung oder Ableitung aus, da es über die offene Seite befüllt werden kann. Es ist daher einfach zu Fertigen und kostengünstig. Jedoch ist es auch hier denkbar, dass sowohl eine Zuleitung als auch eine Ableitung der kryogenen Flüssigkeit vorgesehen ist. Über den Füllstand der kryogenen Flüssigkeit in dem oben offenen Kühlelement kann ein Temperaturgradient in Höhenrichtung des Prüfkörpers eingestellt werden, der einen weiteren Prüfungszustand ermöglicht.A further advantageous embodiment provides that the at least one cooling element is open on a side facing the upper clamping. Such a cooling element does not require a supply line or drain, since it can be filled via the open side. It is therefore easy to manufacture and inexpensive. However, it is also conceivable here that both a supply line and a drain for the cryogenic liquid are provided. A temperature gradient in the height direction of the test specimen can be set via the fill level of the cryogenic liquid in the cooling element that is open at the top, which enables a further test state.

Es ist des denkbar, dass das zumindest eine Kühlelement auf einer Innenseite mindestens eine Aussparung aufweist. Vorzugsweise weist das Kühlelement jedoch mindestens zwei sich paarweise gegenüberliegende Aussparungen auf. Diese Aussparung dienen vor allem der Dichtigkeitsmessung des Prüfkörpers. Dabei wird in eine Aussparung eine Flüssigkeit und/oder Gas, vorzugsweise eine kryogene Flüssigkeit und/oder Gas, und in die andere gegenüberliegende Aussparung ein Messsensor eingebracht, wobei der Messsensor während der Prüfung die Flüssigkeit und/oder das Gas detektiert. Dabei ist während des Einsetzens des Prüfkörpers darauf zu achten, dass zwischen der mit der Flüssigkeit und/oder Gas kontaminierten Seite des Prüfkörpers und der sensorseitigen Seite des Prüfkörpers außer durch die Porosität des Prüfkörpers keine weitere Verbindung besteht.It is conceivable that the at least one cooling element has at least one recess on an inner side. Preferably, however, the cooling element has at least two recesses lying opposite one another in pairs. These recesses are used primarily for measuring the tightness of the test specimen. A liquid and/or gas, preferably a cryogenic liquid and/or gas, is introduced into one recess and a measuring sensor is introduced into the other opposite recess, whereby the measuring sensor detects the liquid and/or gas during the test. During the insertion of the test specimen, care must be taken that there is no further connection between the side of the test specimen contaminated with the liquid and/or gas and the sensor-side of the test specimen other than through the porosity of the test specimen.

Ferner ist es denkbar, dass bei der Dichtigkeitsprüfung in der Prüfvorrichtung keine mechanischen Versuche durchgeführt werden, dabei kann der Prüfkörper in einer Prüfmaschine eingespannt sein oder auf einem Podest positioniert sein.Furthermore, it is conceivable that no mechanical tests are carried out during the leak test in the test device; the test specimen can be clamped in a testing machine or positioned on a pedestal.

Um effizient und energiesparend die Temperatur des zumindest einen Kühlelementes konstant zu halten ist besonders vorteilhaft auf einer der Ummantelung zugewandten Außenhaut und/oder der Innenseite ein Dämmelement vorzusehen.In order to keep the temperature of at least one cooling element constant in an efficient and energy-saving manner, it is particularly advantageous to provide an insulating element on an outer skin facing the casing and/or on the inner side.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere Kühlelemente vorgesehen. Dabei sind die Kühlelemente nebeneinander und/oder gegenüberliegend und/oder übereinanderliegend angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung an die Größe und/oder Geometrie des zu prüfenden Prüfkörpers. Dabei können die Kühlelemente nebeneinander, also benachbart zu einander, und/oder übereinander angeordnet sein. Gegenüberliegend angeordnete Kühlelemente mit jeweils mindestens einer Aussparung, wobei die mindestens eine Aussparung eines Kühlelementes der mindestens einen Aussparung eines weiteren Kühlelementes gegenüberliegend angeordnet ist, sind vor allem bei der Dichtigkeitsprüfung vorteilhaft. Des Weiteren lässt sich durch mehrere Kühlelemente ein Temperaturgradient in dem zu prüfenden Prüfkörper einstellen, da jedes einzelne Kühlelement mit einem anderen kryogenen Medium befüllt werden kann. Dieser Temperaturgradient kann dann quasi-stationär oder instationär sein. Bei der Verwendung mehrerer Kühlelemente ist es grundsätzlich vorteilhaft, allerdings nicht notwendig, dass alle Kühlelemente über eine eigene Zuleitung und Ableitung verfügen. Denkbar ist beispielsweise, dass mehrere Kühlelemente über eine Fluidverbindung miteinander in Verbindung stehen.In a particularly advantageous embodiment, several cooling elements are provided. The cooling elements are arranged next to each other and/or opposite each other and/or one above the other. This enables easy adaptation to the size and/or geometry of the test specimen to be tested. The cooling elements can be arranged next to each other, i.e. adjacent to each other, and/or one above the other. Cooling elements arranged opposite each other, each with at least one recess, with the at least one recess of a cooling element being arranged opposite the at least one recess of another cooling element, are particularly advantageous for leak testing. Furthermore, a temperature gradient can be set in the test specimen to be tested using several cooling elements, since each individual cooling element can be filled with a different cryogenic medium. This temperature gradient can then be quasi-stationary or non-stationary. When using several cooling elements, it is generally advantageous, but not necessary, for all cooling elements to have their own supply and discharge lines. It is conceivable, for example, that several cooling elements are connected to one another via a fluid connection.

Um eine Vereisung der Ummantelung und damit einhergehend der Messsensorik zu verhindern, ist in vorteilhafterweise in der Ummantelung eine Gaszuleitung zum Befüllen der Ummantelung mit einem Gas, insbesondere ein reines Gas, und einer Gasableitung zum Entleeren der Ummantelung. Durch das Einleiten des Gases in die Ummantelung wird die Luft und die in dieser enthaltenen Luftfeuchtigkeit durch das Gas verdrängt. Das Gas schützt die Messsensoren und erhöht deren Lebensdauer. Die Position der Gaszuleitung und Gasableitung ist variabel wählbar und kann abhängig vom verwendeten Gas in der Schutzatmosphäre gewählt werden. Beispielsweise ist es bei der Verwendung von Argon in der Schutzatmosphäre vorteilhaft die Gaszuleitung im Bereich der unteren Einspannung und die Gasableitung im Bereich der oberen Einspannung zu positionieren. Da Argon eine höhere Dichte als Luft, also Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf, aufweist, verdrängt es bei einer Zuleitung von unten die Luft kontrolliert nach oben, so dass diese die Ummantelung durch die Gasabführung verlassen kann. Ferner weist Argon (0,0179 W/(mK)) eine deutlich geringere Wärmeleitung als Luft (0,0262 W/(mK)) und Stickstoff (0,0260 W/(mK)) auf, was die Wärmeverluste in der Prüfvorrichtung reduziert.In order to prevent the casing and the measuring sensors from icing up, it is advantageous to have a gas supply line in the casing for filling the casing with a gas, in particular a pure gas, and a gas outlet for emptying the casing. By introducing the gas into the casing, the air and the humidity contained in it are displaced by the gas. The gas protects the measuring sensors and increases their service life. The position of the gas supply line and gas outlet is variable and can be selected depending on the gas used in the protective atmosphere. For example, when using argon in the protective atmosphere, it is advantageous to position the gas supply line in the area of the lower clamping and the gas outlet in the area of the upper clamping. Since argon has a higher density than air, i.e. oxygen, nitrogen and water vapor, when supplied from below it displaces the air upwards in a controlled manner so that it can leave the casing through the gas outlet. Furthermore, argon (0.0179 W/(mK)) has a significantly lower thermal conductivity than air (0.0262 W/(mK)) and nitrogen (0.0260 W/(mK)), which reduces heat losses in the test device.

Zur flexiblen Anpassung an diverse Prüfkörpergrößen bzw. zur Anpassung an diverse Kraftaufbringvorrichtungen ist es denkbar, dass die Ummantelung aus einem festen und/oder flexiblen Material gefertigt ist. Ferner kann die Ummantelung ein- oder mehrteilig ausgeführt sein, um so eine Vorbereitungskammer für die Prüfkörper zu integrieren. Weiterhin kann die Ummantelung mit weiteren Elementen (z.B. eine Glovebox) ausgestattet sein, um die Vorbereitung, die Durchführung und die Nachbereitung des Versuchs sicher und unter Schutzatmosphäre zu gestalten.In order to flexibly adapt to various test specimen sizes or to adapt to various force application devices, it is conceivable that the casing is made of a solid and/or flexible material. Furthermore, the casing can be made of one or more parts in order to integrate a preparation chamber for the test specimens. Furthermore, the casing can be equipped with other elements (e.g. a glove box) in order to make the preparation, execution and follow-up of the test safe and under a protective atmosphere.

Bei dem erfinderischen Verfahren zum Erreichen eines messbereiten Zustands einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung werden folgende Schritte ausgeführt:

  • 1) Verbinden des oberen Prüfkörperendes des ein- oder mehrteiligen Prüfkörpers mit der oberen Einspannung und des unteren Prüfkörperendes des Prüfkörpers mit der unteren Einspannung,
  • 2) Ummanteln des zu prüfenden Prüfkörpers mit dem zumindest einen Kühlelement,
  • 3) Umschließen der oberen Einspannung und der unteren Einspannung mit der Ummantelung oder Einsetzen der oberen Einspannung und der unteren Einspannung in die Ummantelung.
In the inventive method for achieving a measurement-ready state of a test device according to the invention, the following steps are carried out:
  • 1) Connecting the upper end of the single or multi-part test specimen to the upper clamping device and the lower end of the test specimen to the lower clamping device,
  • 2) Enclosing the test specimen to be tested with at least one cooling element,
  • 3) Enclosing the upper clamping and the lower clamping with the casing or inserting the upper clamping and the lower clamping into the casing.

Wird bei Probenmessung eine Dichtigkeitsprüfung durchgeführt, so wird vor dem Schritt 2), also dem Ummanteln des zu prüfenden Prüfkörpers, die Messsensorik bzw. die Flüssigkeit und/oder das Gas in eine Aussparung des zumindest einen Kühlelementes eingebracht.If a leak test is carried out during sample measurement, the measuring sensors or the liquid and/or the gas are introduced into a recess in at least one cooling element before step 2), i.e. the sheathing of the test specimen to be tested.

Zusätzlich ist es denkbar, dass zwischen dem Schritt 2) und Schritt 3) die Zwischenschritte

  • 2a) Verbinden der Zuleitung zum Befüllen des zumindest einen Kühlelements mit einem Kühlmittelreservoir, der kryogene Flüssigkeit aufweist, und
  • 2b) Verbinden der Ableitung zum Entleeren des zumindest einen Kühlelements mit einem weiteren Kühlmittelreservoir,
ausgeführt werden. Bei Erzeugung eines Kreislaufes der kryogenen Flüssigkeit entspricht das weitere Kühlmittelreservoir dem Kühlmittelreservoir, der die kryogene Flüssigkeit aufweist. Jedoch ist es möglich, dass es sich um unterschiedliche Kühlmittelreservoire oder gar als kreislaufgeführte Systeme handelt, die die kryogene Flüssigkeit bereitstellen.In addition, it is conceivable that between step 2) and step 3) the intermediate steps
  • 2a) connecting the supply line for filling the at least one cooling element to a coolant reservoir containing cryogenic liquid, and
  • 2b) connecting the drain line for emptying the at least one cooling element to another coolant reservoir,
When creating a cryogenic liquid circuit, the additional coolant reservoir corresponds to the coolant reservoir that contains the cryogenic liquid. However, it is possible that there are different coolant reservoirs or even circuit-controlled systems that provide the cryogenic liquid.

Zusätzlich oder Alternativ ist es denkbar, dass sich dem Schritt 3) die Zwischenschritte

  • 3a) Verbinden der Gaszuleitung zum Befüllen der Ummantelung mit einem Gasbehälter, und
  • 3b) Verbinden der Gasableitung zum Entleeren der Ummantelung mit einem weiteren Gasbehälter
anschließen. Auch hier ist es denkbar, dass es sich bei dem Gasbehälter um ein und denselben Gasbehälter handelt, um einen Gaskreislauf zu erzeugen. Jedoch ist es möglich, dass es sich um unterschiedliche Gasbehälter zum Abführen oder Recyceln des Gases handelt. Weiterhin ist es denkbar, dass es sich nicht um Behälter per se, sondern um ein nicht weiter beanspruchtes System handelt, über welches das Gas erzeugt und zugeführt wird.Additionally or alternatively, it is conceivable that step 3) is followed by the intermediate steps
  • 3a) Connecting the gas supply line for filling the casing with a gas container, and
  • 3b) Connecting the gas outlet to empty the casing with another gas container
Here too, it is conceivable that the gas container is one and the same gas container in order to create a gas cycle. However, it is possible that there are different gas containers for discharging or recycling the gas. It is also conceivable that these are not containers per se, but rather a non-stressed system through which the gas is generated and supplied.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens schließt sich dem Schritt 3) der Schritt 4) das Befüllen der Ummantelung über die Gaszuleitung mit einem Gas an. Zusätzlich oder alternativ schließt sich diesem Schritt 3) dem Befüllen der Ummantelung das Befüllen des zumindest einen Kühlelements über die Zuleitung mit einer Flüssigkeit an. Die Reihenfolge der Befüllung der Ummantelung und des zumindest einen Kühlelementes ist irrelevant. Jedoch ist aus Sicherheitsgründen und zum Schutz der gesamten Prüfvorrichtung und zum Steigern der Lebensdauer der Prüfvorrichtung ein Befüllen der Ummantelung vor dem Befüllen des zumindest einen Kühlelementes vorteilhaft.In an advantageous embodiment of the method, step 3) is followed by step 4) of filling the casing with a gas via the gas supply line. Additionally or alternatively, step 3) of filling the casing is followed by filling the at least one cooling element with a liquid via the supply line. The order in which the casing and the at least one cooling element are filled is irrelevant. However, for safety reasons and to protect the entire test device and to increase the service life of the test device, it is advantageous to fill the casing before filling the at least one cooling element.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.Further advantages, special features and expedient developments of the invention emerge from the subclaims and the following presentation of preferred embodiments with reference to the figures.

Es zeigen

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung mit einem Kühlelement;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßem Prüfvorrichtung mit zwei Kühlelementen;
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßem Prüfvorrichtung mit zwei Kühlelementen für eine Dichtigkeitsprüfung;
  • 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßem Prüfvorrichtung mit einem nach oben offenen Kühlelement.
Show it
  • 1 a first embodiment of the testing device according to the invention with a cooling element;
  • 2 a second embodiment of the testing device according to the invention with two cooling elements;
  • 3 a third embodiment of the testing device according to the invention with two cooling elements for a leak test;
  • 4 a fourth embodiment of the testing device according to the invention with a cooling element open at the top.

1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 14 zur Durchführung von mechanischen Versuchen bei kryogenen Temperaturen in einem Prüfstand mit einer Krafteinleitungsvorrichtung. Vorliegend handelt es sich bei der Krafteinleitungsvorrichtung um eine Universal-Werkstoffprüfmaschine. Jedoch ist die Prüfvorrichtung 14 universal einsetzbar und demnach auch für andere Prüfmaschinen geeignet. Die 1 bis 4 zeigen eine bereits einsatzbereite Prüfvorrichtung, die mit ihrer oberen Einspannung 1 und der unteren Einspannung 2 mit der hier nicht näher gezeigten Krafteinleitungsvorrichtung verbunden ist. Der zu prüfende Prüfkörper 4 ist mit seinem oberen Prüfkörperende 4a formschlüssig mit der oberen Einspannung 2 und mit seinem unteren Prüfkörperende 4b formschlüssig mit der unteren Einspannung 3 verbunden. Allerdings ist hier auch eine reibschlüssige Verbindung der Prüfkörperenden 4a, 4b mit der oberen 1 und unteren 2 Einspannung denkbar. Weiterhin es auch möglich, dass eines der Prüfkörperenden 4a, 4b reibschlüssig mit der dazugehörigen Einspannung 1, 2 verbunden ist, während das andere Prüfkörperende 4a, 4b formschlüssig mit der dazugehörigen Einspannung 1, 2 verbunden ist. 1 until 4 show embodiments of the test device 14 according to the invention for carrying out mechanical tests at cryogenic temperatures in a test bench with a force introduction device. In the present case, the force introduction device is a universal material testing machine. However, the test device 14 can be used universally and is therefore also suitable for other testing machines. The 1 to 4 show a test device that is ready for use and which is connected to the force introduction device (not shown in detail here) with its upper clamping device 1 and the lower clamping device 2. The test specimen 4 to be tested is connected to the upper clamping device 2 with its upper test specimen end 4a in a form-fitting manner and to the lower test specimen end 4b in a form-fitting manner to the lower clamping device 3. However, a frictional connection of the test specimen ends 4a, 4b to the upper clamping device 1 and lower clamping device 2 is also conceivable here. It is also possible for one of the test specimen ends 4a, 4b to be connected to the corresponding clamping device 1, 2 in a frictional manner, while the other test specimen end 4a, 4b is connected to the corresponding clamping device 1, 2 in a form-fitting manner.

Zur Verbindung der Ummantelung 3 mit der oberen 1 und unteren 2 Einspannung kann an der dem Prüfkörper 4 abgewandten Seite der jeweiligen Einspannung 1, 2 ein Zapfen vorgesehen sein. Dieser Zapfen weist vorteilhafterweise eine geringere Abmessung als die jeweilige Einspannung 1, 2 auf, wodurch die in der Ummantelung 3 vorgesehen Öffnungen zum Verbinden an der jeweiligen Einspannung 1, 2 kleiner gestaltet werden kann. Dies verringert die abzudichtende Fläche zwischen den Einspannungen1, 2 bzw. dem Zapfen und der Ummantelung 3.To connect the casing 3 to the upper 1 and lower 2 clamps, a pin can be provided on the side of the respective clamp 1, 2 facing away from the test specimen 4. This pin advantageously has a smaller dimension than the respective clamp 1, 2, whereby the openings provided in the casing 3 for connecting to the respective clamp 1, 2 can be made smaller. This reduces the area to be sealed between the clamps 1, 2 or the pin and the casing 3.

Für die Kühlung des Prüfkörpers 4 für die mechanischen Versuche bei kryogenen Temperaturen sind in 1 und 4 je ein Kühlelement 5 und in den 2 und 3 jeweils zwei Kühlelemente 5 vorgesehen. Die Anzahl der Kühlelemente 5 ist hier nicht als abschließend zu betrachten. Bei den hier dargestellten Ausführungsformen ist denkbar, dass auch jeweils mehr als ein bzw. zwei Kühlelemente 5 vorgesehen sind. Das Kühlelement ist zwischen der oberen 1 und unteren 2 Einspannung angeordnet und ummantelt hier den Prüfkörper 4 vollständig. Dabei weist das Kühlelement im Messbetrieb eine kryogene Temperatur von mindesten 4 K, 20 K bzw. 77 K auf. Diese ist abhängig von dem verwendeten Medium, dabei wird flüssiger Stickstoff zum Erreichen einer Temperatur von im Bereich von 77 K, flüssiger Wasserstoff zum Erreichen einer Temperatur von im Bereich von 20 K und flüssiges Helium zum Erreichen einer Temperatur von im Bereich von 4 K verwendet. Da hier die gesamte Umfangsfläche des Prüfkörpers 4 mit dem Kühlelement 5 in Kontakt ist, entsteht eine gleichmäßigen Temperaurverteilung im Prüfkörper 4 während der mechanischen Versuche. Ist für die Versuche jedoch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Prüfköper 4 notwendig, ist eine teilweise Ummantelung des Prüfkörpers 4 mit dem Kühlelement 5 oder eine mehrteilige Ausführung des Kühlelements 5 unter Nutzung unterschiedlicher kryogener Flüssigkeiten in den jeweiligen Kühlelementen 5 denkbar. Um den Kontakt zwischen dem Kühlelement 5 und dem Prüfkörper 4 sicherzustellen und demnach die gewünschte Kühlung des Prüfkörpers 4 zu gewährleisten ist der Prüfkörper 4 formschlüssig mit dem Kühlelement 5 verbunden. Für mechanische Versuche bei denen der zu prüfende Prüfkörper 4 beispielsweise Vibrationen oder ähnlichem ausgesetzt wird, ist es denkbar den Prüfkörper zusätzlich oder alternativ kraftschlüssig mit dem Kühlelement 5 zu verbinden. Diese Ausführungen gelten für mehrere Kühlelemente 5 gleichermaßen.For the cooling of the test specimen 4 for the mechanical tests at cryogenic temperatures, 1 and 4 one cooling element 5 and in the 2 and 3 Two cooling elements 5 are provided in each case. The number of cooling elements 5 is not to be considered as exhaustive. In the embodiments shown here, it is conceivable that more than one or two cooling elements 5 are also provided. The cooling element is arranged between the upper 1 and lower 2 clamping and completely encases the test specimen 4. During measurement operation, the cooling element has a cryogenic temperature of at least 4 K, 20 K or 77 K. This depends on the medium used; liquid nitrogen is used to achieve a temperature in the range of 77 K, liquid hydrogen to achieve a temperature in the range of 20 K and liquid helium to achieve a temperature in the range of 4 K. Since the entire peripheral surface of the test specimen 4 is in contact with the cooling element 5, an even temperature distribution is created in the test specimen 4 during the mechanical tests. However, if an uneven temperature distribution in the test specimen 4 is necessary for the tests, a partial encasement of the test specimen 4 with the cooling element 5 or a multi-part design of the cooling element 5 using different cryogenic liquids in the respective cooling elements 5 is conceivable. In order to ensure contact between the cooling element 5 and the test body 4 and thus to guarantee the desired cooling of the test body 4, the test body 4 is connected to the cooling element 5 in a form-fitting manner. For mechanical tests in which the test body 4 to be tested is exposed to vibrations or similar, it is conceivable to additionally or alternatively connect the test body to the cooling element 5 in a force-fitting manner. These statements apply equally to several cooling elements 5.

Um die Temperatur im Prüfkörper 4 energie- und kosteneffizient konstant halten zu können, ist zum einen ein Dämmelement 8 an der Außenhaut 15 und/oder an der Innenseite 16 des Kühlelementes 5 vorgesehen und zum anderen sind der Prüfkörper 4 und das Kühlelement 5 von der Ummantelung 3 umgeben. Diese Ummantelung ist hier aus einem festen Material und ähnelt einem Gehäuse. Die Ummantelung 3 ist gasdicht mit der oberen Einspannung 1 und unteren Einspannung 2 verbunden. Dadurch gewährleistet, dass die Temperatur im Inneren der Ummantelung 3 konstant gehalten werden kann. Ferner lässt sich die Prüfvorrichtung 14 aufgrund der Ummantelung leichter handhaben und schützt den Anwender bei der Montage vor den extrem tiefen Temperaturen der Kühlelemente.In order to be able to keep the temperature in the test body 4 constant in an energy and cost efficient manner, an insulating element 8 is provided on the outer skin 15 and/or on the inside 16 of the cooling element 5 and the test body 4 and the cooling element 5 are surrounded by the casing 3. This casing is made of a solid material and resembles a housing. The casing 3 is connected in a gas-tight manner to the upper clamping 1 and lower clamping 2. This ensures that the temperature inside the casing 3 can be kept constant. Furthermore, the casing makes the test device 14 easier to handle and protects the user from the extremely low temperatures of the cooling elements during assembly.

Die Ummantelung 3 weist im Bereich der unteren Einspannung 2 eine Gaszuleitung 9 zum Befüllen der Ummantelung mit einem Gas und eine Gasableitung 10 zum Entleeren der Ummantelung auf. Über die Gaszuleitung 9 wird die Ummantelung 3 mit einem reinen Gas, beispielsweise Stickstoff bei Raumtemperatur, geflutet und die Luft einschließlich ihrer Luftfeuchtigkeit über die Gasableitung 10 verdrängt. Dies verhindert die Vereisung der sich in der Ummantelung 3 befindlichen Elemente, beispielsweise Messelemente oder die obere 1 und untere 2 Einspannung, und erhöht somit die Lebensdauer der gesamten Prüfvorrichtung 14.In the area of the lower clamping 2, the casing 3 has a gas supply line 9 for filling the casing with a gas and a gas discharge line 10 for emptying the casing. The casing 3 is flooded with a pure gas, for example nitrogen at room temperature, via the gas supply line 9 and the air including its humidity is displaced via the gas discharge line 10. This prevents the elements located in the casing 3 from icing up, for example measuring elements or the upper 1 and lower 2 clamping, and thus increases the service life of the entire test device 14.

Die in den 1 bis 3 gezeigten Kühlelemente 5 weisen eine Zuleitung 6 zum Befüllen des Kühlelementhohlraums 5a des Kühlelementes 5 mit einer kryogenen Flüssigkeit und eine Ableitung 7 zum Entleeren des Kühlelementhohlraums 5a des Kühlelements 5 auf. Es ist auch möglich, dass die Zuleitung 6 zum Entleeren und die Ableitungen 7 zum Befüllen des Kühlelementhohlraums 5a verwendet werden kann. Aufgrund der Befüllung des Kühlelementhohlraums 5a mit der kryogenen Flüssigkeit wird der Prüfkörper 4 auf die gewünschte kryogene Temperatur gekühlt. Während des Befüllvorgangs über die Zuleitung 6 wird das sich im Kühlelementhohlraum 5a befindliche Medium über die Ableitung 7 abgeführt. Bei dem Befüll- bzw. Entleerungsvorgang kann es im Kühlelement 5 zu Überdruck kommen, dieser wird über die Sicherheitsventile 13a, 13b abgebaut. Des Weiteren kann sich bei dem Abkühlvorgang eine Gasphase aus der flüssigen Phase der kryogenen Flüssigkeit bilden, wobei auch diese über die Sicherheitsventile 13a, 13b abgeführt werden kann. Vorliegend ist die kryogene Flüssigkeit in einem hier nicht weiter gezeigten Kreislauf geführt, das heißt, dass die Zuleitung 6 und die Ableitung 7 sind mit einem hier nicht gezeigten Kühlmittelreservoir verbunden.The 1 to 3 The cooling elements 5 shown have a supply line 6 for filling the cooling element cavity 5a of the cooling element 5 with a cryogenic liquid and a discharge line 7 for emptying the cooling element cavity 5a of the cooling element 5. It is also possible that the supply line 6 can be used for emptying and the discharge lines 7 can be used for filling the cooling element cavity 5a. Due to the filling of the cooling element cavity 5a with the cryogenic liquid, the test specimen 4 is cooled to the desired cryogenic temperature. During the filling process via the supply line 6, the medium in the cooling element cavity 5a is discharged via the discharge line 7. During the filling or emptying process, excess pressure can arise in the cooling element 5, which is reduced via the safety valves 13a, 13b. Furthermore, during the cooling process, a gas phase can form from the liquid phase of the cryogenic liquid, and this can also be discharged via the safety valves 13a, 13b. In the present case, the cryogenic liquid is guided in a circuit not shown here, i.e. the supply line 6 and the discharge line 7 are connected to a coolant reservoir not shown here.

Es ist durchaus auch möglich, dass das zumindest eine Kühlelement 5 der 1 bis 3 über die Zuleitung 6 befüllt wird während die Ableitung 7 geschlossen ist. Bei dieser Art und Weise der Befüllung des Kühlelementes 5 ist ein Sicherheits-/Druckventil 13a, 13b zum Druckausgleich notwendigerweise vorgesehen. Des Weiteren ist es auch möglich, dass das zumindest eine Kühlelement 5 mit lediglich einer der Leitungen, also entweder mit der Zuleitung 6 oder der Ableitung 7, befüllt oder geleert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine der Leitungen verstopft oder eingefroren ist.It is also quite possible that at least one cooling element 5 of the 1 until 3 is filled via the supply line 6 while the discharge line 7 is closed. With this type of filling of the cooling element 5, a safety/pressure valve 13a, 13b is necessarily provided for pressure equalization. Furthermore, it is also possible that the at least one cooling element 5 can be filled or emptied with just one of the lines, i.e. either with the supply line 6 or the discharge line 7. This is particularly advantageous if one of the lines is blocked or frozen.

Sowohl das Ausführungsbeispiel der 2 als auch das Ausführungsbeispiel der 3 zeigen eine Prüfvorrichtung 14 mit jeweils zwei Kühlelementen 5, die jeweils einen Kühlelementhohlraum 5a zum Befüllen mit einer kryogenen Flüssigkeit aufweisen. Die zwei Kühlelemente 5 der 2 und 3 sind nebeneinander angeordnet und ummanteln den Prüfkörper 4 vollständig. Die Kühlelemente 5 sind hier mit unterschiedlichen kryogenen Flüssigkeiten befüllt, dabei kann beispielsweise ein Kühlelement 5 mit flüssigem Stickstoff für 77 K und das andere Kühlelement 5 mit flüssigem Wasserstoff für 20 K oder flüssigem Helium für 4 K befüllt sein. Somit lassen sich in einem quasi-stationären Zustand während des Versuchs an den mit dem jeweiligen Kühlelement 5 in kontaktstehenden Oberflächen des Prüfkörpers 4 unterschiedliche Temperaturen einstellen. Dadurch lässt sich auf einfache Art und Weise ein Temperaturgradient im Prüfkörper zu erzeugen, der die Temperaturverhältnisse des Werkstoffs oder Bauteils im Einsatz besser wiederspiegeln kann.Both the embodiment of the 2 as well as the embodiment of the 3 show a test device 14 with two cooling elements 5 each, which have a cooling element cavity 5a for filling with a cryogenic liquid. The two cooling elements 5 of the 2 and 3 are arranged next to each other and completely encase the test specimen 4. The cooling elements 5 are filled with different cryogenic liquids, for example one cooling element 5 can be filled with liquid nitrogen for 77 K and the other cooling element 5 with liquid hydrogen for 20 K or liquid helium for 4 K. Thus In a quasi-stationary state during the test, different temperatures can be established on the surfaces of the test specimen 4 that are in contact with the respective cooling element 5. This makes it easy to create a temperature gradient in the test specimen that can better reflect the temperature conditions of the material or component in use.

Bei der Verwendung von mehreren Kühlelementen 5, wie in 2 und 3 dargestellt, ist es nicht zwingend notwendig, dass jedes Kühlelement 5 eine andere kryogene Flüssigkeit aufweist. Vielmehr ist die Verwendung lediglich einer kryogenen Flüssigkeit möglich, wobei diese einerseits dezentral über die am jeweiligen Kühlelement 5 vorgesehene Zuleitung 6 den Kühlelementhohlraum 5a befüllt und über die Ableitung 7 diesen entleert und andererseits die mehreren Kühlelemente 5 so miteinander verbunden sind, dass die jeweiligen Kühlelementhohlräume 5a zentral über die Zuleitung 6 bzw. Ableitung 7 eines Kühlelementes 5 befüllt bzw. entleert werden kann.When using multiple cooling elements 5, as in 2 and 3 As shown, it is not absolutely necessary for each cooling element 5 to have a different cryogenic liquid. Rather, the use of just one cryogenic liquid is possible, whereby on the one hand this fills the cooling element cavity 5a decentrally via the supply line 6 provided on the respective cooling element 5 and empties it via the discharge line 7 and on the other hand the multiple cooling elements 5 are connected to one another in such a way that the respective cooling element cavities 5a can be filled or emptied centrally via the supply line 6 or discharge line 7 of a cooling element 5.

Da die Prüfvorrichtung vorliegend geschlossen ausgeführt ist, lässt sich zwischen den Befüllungsschritten ein Unterdruck erzeugen, dabei muss das abgesaugte Volumen das durch Verdampfung erzeugte Gasvolumen kompensieren um überhaupt einen Unterdruck realisieren zu können. Durch herabsetzen des Drucks lässt sich entlang der Dampfkurve die Verdampfungsenthalpie und damit die Kühlwirkung steigern. Bei Stickstoff lässt sich die Verdampfungsenthalpie beispielsweise von 198 kJ/kg bei Umgebungsdruck von 1,013 bar auf 215,2 kJ/kg bei 0,125 bar steigern.Since the test device is designed to be closed, a negative pressure can be created between the filling steps. The volume extracted must compensate for the gas volume generated by evaporation in order to be able to create a negative pressure at all. By reducing the pressure, the evaporation enthalpy and thus the cooling effect can be increased along the vapor curve. For nitrogen, for example, the evaporation enthalpy can be increased from 198 kJ/kg at ambient pressure of 1.013 bar to 215.2 kJ/kg at 0.125 bar.

Zur Erzeugung dieses Unterdrucks weist die Prüfvorrichtung, Pumpen auf. Bei der Erzeugung des Unterdrucks mittels Pumpen ist an jeder der Zuleitungen 6 ein Eingangsventil und an jeder der Ableitungen 7 ein Ausgangsventil erforderlich. Um die Verdampfungsenthalpie zu erhöhen, ist es vorteilhaft den Kühlelementinnendruck p2 zu reduzieren. Es wird dabei davon ausgegangen, dass in der Kammer im Inneren der Ummantelung 3 Atmosphärendruck pa vorliegt. Während des Befüllvorgangs ist der Kühlmittelreservoirdruck p1 am Einlassventil größer als der Kühlelementinnendruck p2. Sobald der Kühlelementhohlraum 5a des Kühlelementes 5 mit der kryogenen Flüssigkeit und/oder Gas befüllt ist und sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventile geschlossen sind, wird die Pumpe eingesetzt, um den Kühlelementinnendruck p2 unter den Kühlmittelreservoirdruck p1 herabzusetzen.To generate this negative pressure, the test device has pumps. When generating the negative pressure by means of pumps, an inlet valve is required on each of the supply lines 6 and an outlet valve on each of the outlet lines 7. To increase the evaporation enthalpy, it is advantageous to reduce the cooling element internal pressure p 2. It is assumed that atmospheric pressure p a is present in the chamber inside the casing 3. During the filling process, the coolant reservoir pressure p 1 at the inlet valve is greater than the cooling element internal pressure p 2 . As soon as the cooling element cavity 5a of the cooling element 5 is filled with the cryogenic liquid and/or gas and both the inlet valve and the outlet valve are closed, the pump is used to reduce the cooling element internal pressure p 2 below the coolant reservoir pressure p 1 .

Auch bei den Ausführungsbeispielen der 1und 3 können Pumpen und die notwendigen Eingangsventile bzw. Ausgangsventile vorgesehen werden, um die Verdampfungsenthalpie zu erhöhen.Even in the examples of the 1and 3 Pumps and the necessary inlet and outlet valves can be provided to increase the evaporation enthalpy.

Bei größeren Prüfkörpern 4 ist es möglich mehrere Kühlelemente zu verwenden, um diesen teilweise oder vollständig zu ummanteln. Diese können dann nebeneinander, also benachbart zueinander, und/oder übereinander angeordnet werden. Dabei ist unter übereinander angeordnet zu verstehen, dass in Längsrichtung des Prüfkörper 4 zwischen der oberen 1 und unteren 2 Einspannung mindestens zwei Kühlelemente 4 angeordnet sind.For larger test specimens 4, it is possible to use several cooling elements to partially or completely encase them. These can then be arranged next to each other, i.e. adjacent to each other, and/or one above the other. In this case, arranged one above the other means that at least two cooling elements 4 are arranged in the longitudinal direction of the test specimen 4 between the upper 1 and lower 2 clamping.

Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eignet sich zusätzlich zu den mechanischen Versuchen auch zur Dichtigkeitsprüfung von Prüfkörpern. Dafür weisen die Kühlelemente 5 jeweils eine Aussparung 11, 12 auf, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei wird für die Dichtigkeitsprüfung die Aussparung 11 mit einem Prüfmedium, vorzugsweise einer Flüssigkeit und/oder einem Gas, gefüllt, während die der flüssigkeits- und/oder gasgefüllten Aussparung 11 gegenüberliegende Aussparung 12 mit einem Messsensor ausgestattet ist, der zur Detektion des Prüfmediums dient. Dabei ist sicherzustellen, dass die mit dem Prüfmedium kontaminierte Seite des Prüfkörpers 4 und sensorseitige Seite des Prüfkörpers 4 keine Verbindung außer über die Porosität des Prüfkörpers 4 besitzen. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 14 deren Kühlelemente an einer der oberen Einspannung zugewandten Seite 13 offen ist. Dies ist besonders kostengünstig und einfach zu Fertigen. In seiner einfachsten Ausführung (4) ist weder eine Zuleitung 6 zur Befüllung mit einer kryogenen Flüssigkeit noch eine Ableitung 6 zum Entleeren vorgesehen. Die Befüllung und Entleerung des Kühlelementes 5 erfolgt hier über die offene Seite 13.This in 3 In addition to the mechanical tests, the embodiment shown is also suitable for leak testing of test specimens. For this purpose, the cooling elements 5 each have a recess 11, 12 that are arranged opposite one another. For the leak test, the recess 11 is filled with a test medium, preferably a liquid and/or a gas, while the recess 12 opposite the liquid and/or gas-filled recess 11 is equipped with a measuring sensor that serves to detect the test medium. It must be ensured that the side of the test specimen 4 contaminated with the test medium and the sensor-side side of the test specimen 4 have no connection other than via the porosity of the test specimen 4. 4 shows an embodiment of the test device 14 according to the invention, the cooling elements of which are open on a side 13 facing the upper clamping. This is particularly cost-effective and easy to manufacture. In its simplest version ( 4 ), neither a supply line 6 for filling with a cryogenic liquid nor a discharge line 6 for emptying is provided. The cooling element 5 is filled and emptied here via the open side 13.

Bevor eine Prüfung des Werkstoffs oder Bauteils an einer Kraftaufbringungsvorrichtung durchgeführt werden kann, muss die Prüfvorrichtung 14 in den messbereiten Zustand gebracht werden. Dafür wird in einem ersten Schritt das obere Prüfkörperende 4a des Prüfkörpers 4 mit der oberen Einspannung 1 und das untere Prüfkörperende 4b des Prüfkörpers 4 mit der unteren Einspannung 2 verbunden. In einem zweiten Schritt wird der zu prüfenden Prüfkörper 4 mit einem oder mehreren Kühlelementen 5 ummantelt. Und anschließend wird in einem Schritt 3 die obere Einspannung 1 und die untere Einspannung 2 mit der Ummantelung 3 umschlossen oder in diese eingesetzt.Before a test of the material or component can be carried out on a force application device, the test device 14 must be brought into the measurement-ready state. To do this, in a first step, the upper test specimen end 4a of the test specimen 4 is connected to the upper clamping device 1 and the lower test specimen end 4b of the test specimen 4 is connected to the lower clamping device 2. In a second step, the test specimen 4 to be tested is covered with one or more cooling elements 5. And then, in a step 3, the upper clamping device 1 and the lower clamping device 2 are enclosed with the casing 3 or inserted into it.

Weist das zumindest eine Kühlelement 5 eine Zuleitung 6 zum Befüllen mit einer kryogenen Flüssigkeit und eine Ableitung 7 zu Entleeren des Kühlelementes 5 auf, werden zwischen dem Schritt 2 und Schritt 3 die Zwischenschritte 2a) Verbinden der Zuleitung 6 zum Befüllen des zumindest einen Kühlelements 5 mit einem Kühlmittelreservoir, das die kryogene Flüssigkeit aufweist, und Zwischenschritt 2b) Verbinden der Ableitung 7 zum Entleeren des zumindest einen Kühlelements 5 mit einem weiteren Kühlmittelreservoir, ausgeführt. Ferner können sich dem Schritt 3 die Zwischenschritte, 3a) Verbinden der Gaszuleitung 9 zum Befüllen der Ummantelung 3 mit einem Gasbehälter, und 3b) Verbinden der Gasableitung 10 zum Entleeren der Ummantelung 3 mit einem weiteren Gasbehälter, anschließen.
Nach dem Verbinden des Kühlelementes 5 mit dem Kühlmittelreservoir und dem Verbinden der Ummantelung 3 mit dem Gasbehälter wird in einem Schritt 4 die Ummantelung 3 über die Gaszuleitung 9 mit einem Gas und/oder das Kühlelement 5 über die Zuleitung 6 mit einer kryogenen Flüssigkeit befüllt.If the at least one cooling element 5 has a supply line 6 for filling with a cryogenic liquid and a discharge line 7 for emptying the cooling element 5, the intermediate steps 2a) connecting the supply line 6 for filling the at least one cooling element 5 with a coolant reservoir that has the cryogenic liquid, and intermediate step 2b) connecting the discharge line 7 for emptying the at least one cooling element 5 with a further coolant reservoir. Furthermore, step 3 can be followed by the intermediate steps 3a) connecting the gas supply line 9 for filling the casing 3 with a gas container, and 3b) connecting the gas discharge line 10 for emptying the casing 3 with a further gas container.
After connecting the cooling element 5 to the coolant reservoir and connecting the casing 3 to the gas container, in a step 4 the casing 3 is filled with a gas via the gas supply line 9 and/or the cooling element 5 is filled with a cryogenic liquid via the supply line 6.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.The embodiments shown here are only examples of the present invention and should therefore not be understood as limiting. Alternative embodiments considered by those skilled in the art are equally included within the scope of the present invention.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11
obere Einspannungupper clamping
22
untere Einspannunglower clamping
33
UmmantelungSheathing
44
PrüfkörperTest specimen
4a4a
oberes Prüfkörperendeupper test specimen end
4b4b
unteres Prüfkörperendelower test specimen end
55
KühlelementCooling element
5a5a
KühlelementhohlraumCooling element cavity
66
ZuleitungSupply line
77
AbleitungDerivation
88th
DämmelementInsulating element
99
GaszuleitungGas supply line
1010
GasableitungGas discharge
11, 1211, 12
AussparungRecess
1313
offene Seiteopen page
1414
PrüfvorrichtungTest device
1515
Außenhaut des KühlelementesOuter skin of the cooling element
1616
Innenseite des KühlelementesInside of the cooling element
17a, 17b17a, 17b
Sicherheitsventile Safety valves
papa
AtmosphärendruckAtmospheric pressure
p1p1
KühlmittelreservoirdruckCoolant reservoir pressure
p2p2
KühlelementinnendruckCooling element internal pressure

Claims (14)

Prüfvorrichtung (14) zur Durchführung von mechanischen Versuchen bei kryogenen Temperaturen in einem Prüfstand mit einer Krafteinleitungsvorrichtung, insbesondere in einer Universal-Werkstoffprüfmaschine, umfassend - eine obere Einspannung (1) und eine untere Einspannung (2) zur Verbindung mit der Krafteinleitungsvorrichtung, wobei ein zu prüfender Prüfkörper (4) an einem oberen Prüfkörperende (4a) mit der oberen Einspannung (1) und an einem unteren Prüfkörperende (4b) mit der unteren Einspannung (2) verbindbar ist, - zumindest ein zwischen der oberen (1) und unteren (2) Einspannung angeordnetes Kühlelement (5), wobei der zu prüfende Prüfkörper (4) von dem zumindest einem Kühlelement (5) zumindest teilweise ummantelbar ist, - eine Ummantelung (3), wobei die Ummantelung (3) die obere Einspannung (1), die untere Einspannung (2) und das zumindest eine Kühlelement (5) umschließt und gasdicht mit der oberen Einspannung (1) und unteren Einspannung (2) verbunden ist.Test device (14) for carrying out mechanical tests at cryogenic temperatures in a test bench with a force introduction device, in particular in a universal materials testing machine, comprising - an upper clamping device (1) and a lower clamping device (2) for connection to the force introduction device, wherein a test specimen (4) to be tested can be connected to the upper clamping device (1) at an upper test specimen end (4a) and to the lower clamping device (2) at a lower test specimen end (4b), - at least one cooling element (5) arranged between the upper (1) and lower (2) clamping devices, wherein the test specimen (4) to be tested can be at least partially encased by the at least one cooling element (5), - a casing (3), wherein the casing (3) encloses the upper clamping device (1), the lower clamping device (2) and the at least one cooling element (5) and is connected in a gas-tight manner to the upper clamping device (1) and lower clamping device (2). Prüfvorrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (4) formschlüssig und/oder reibschlüssig mit der oberen Einspannung (1) und formschlüssig und/oder reibschlüssig mit der unteren Einspannung (2) verbindbar ist.Test device (14) according to Claim 1 , characterized in that the test body (4) can be connected in a form-fitting and/or friction-fitting manner to the upper clamping device (1) and in a form-fitting and/or friction-fitting manner to the lower clamping device (2). Prüfvorrichtung (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (4) formschlüssig oder kraftschlüssig an dem zumindest einen Kühlelement (5) befestigbar ist.Test device (14) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the test body (4) can be fastened to the at least one cooling element (5) in a form-fitting or force-fitting manner. Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) eine Zuleitung (6) zum Befüllen eines Kühlelementhohlraums (5a) mit einer kryogenen Flüssigkeit und eine Ableitung (7) zum Entleeren des Kühlelementhohlraums (5a) aufweist.Test device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cooling element (5) has a supply line (6) for filling a cooling element cavity (5a) with a cryogenic liquid and a discharge line (7) for emptying the cooling element cavity (5a). Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (4) vollständig von dem zumindest einem Kühlelement (5) ummantelbar ist.Test device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that the test body (4) can be completely encased by the at least one cooling element (5). Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) an einer der oberen Einspannung (1) zugewandten Seite (13) offen ist.Testing device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cooling element (5) is open on a side (13) facing the upper clamping (1). Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) auf einer Innenseite (16) mindestens eine Aussparung (11, 12), vorzugsweise mindestens zwei sich paarweise gegenüberliegende Aussparungen (11, 12), aufweist.Test device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cooling element (5) is on a Inner side (16) has at least one recess (11, 12), preferably at least two recesses (11, 12) lying opposite one another in pairs. Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) auf einer der Ummantelung (3) zugewandten Außenhaut (15) und/oder einer Innenseite (16) ein Dämmelement (8) aufweist.Test device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cooling element (5) has an insulating element (8) on an outer skin (15) facing the casing (3) and/or an inner side (16). Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlelemente (5) vorgesehen sind, wobei die Kühlelemente (5) nebeneinander und/oder gegenüberliegend und/oder übereinanderliegend angeordnet sind.Test device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of cooling elements (5) are provided, wherein the cooling elements (5) are arranged next to one another and/or opposite one another and/or one above the other. Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (3) eine Gaszuleitung (9) zum Befüllen der Ummantelung (3) mit einem Gas, insbesondere einem reinen Gas, und eine Gasableitung (10) zum Entleeren der Ummantelung (3) aufweist.Test device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that the casing (3) has a gas supply line (9) for filling the casing (3) with a gas, in particular a pure gas, and a gas discharge line (10) for emptying the casing (3). Prüfvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (3) aus einem festen oder flexiblen Material gefertigt ist.Test device (14) according to one of the preceding claims, characterized in that the casing (3) is made of a solid or flexible material. Verfahren zum Erreichen eines messbereiten Zustands einer Prüfvorrichtung (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Schritte 1) Verbinden des oberen Prüfkörperendes (4a) des ein- oder mehrteiligen Prüfkörpers (4) mit der oberen Einspannung (1) und des unteren Prüfkörperendes (4b) des Prüfkörpers (4) mit der unteren Einspannung (2), 2) Ummanteln des zu prüfenden Prüfkörpers (4) mit dem zumindest einen Kühlelement (5), 3) Umschließen der oberen Einspannung (1) und der unteren Einspannung (2) mit der Ummantelung (3) oder Einsetzen der oberen Einspannung (1) und der unteren Einspannung (2) in die Ummantelung (3).Method for achieving a measurement-ready state of a test device (14) according to one of the Claims 1 until 11 , characterized by the steps of 1) connecting the upper test specimen end (4a) of the one-part or multi-part test specimen (4) to the upper clamping (1) and the lower test specimen end (4b) of the test specimen (4) to the lower clamping (2), 2) encasing the test specimen (4) to be tested with the at least one cooling element (5), 3) enclosing the upper clamping (1) and the lower clamping (2) with the casing (3) or inserting the upper clamping (1) and the lower clamping (2) into the casing (3). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kühlelement (5) eine Zuleitung (6) zum Befüllen eines Kühlelementhohlraums (5a) mit einer kryogenen Flüssigkeit und eine Ableitung (7) zum Entleeren des Kühlelementhohlraums (5a) und die Ummantelung (3) eine Gaszuleitung (9) zum Befüllen der Ummantelung (3) mit einem Gas, insbesondere einem reinen Gas, und eine Gasableitung (10) zum Entleeren der Ummantelung (3) aufweist und zwischen dem Schritt 2) und Schritt 3) die Zwischenschritte 2a) Verbinden der Zuleitung (6) zum Befüllen des zumindest einen Kühlelements (5) mit einem Kühlmittelreservoir, der kryogene Flüssigkeit aufweist, und 2b) Verbinden der Ableitung (7) zum Entleeren des zumindest einen Kühlelements (5) mit einem weiteren Kühlmittelreservoir, ausgeführt werden und/ oder das nach dem Schritt 3) die Zwischenschritte 3a) Verbinden der Gaszuleitung (9) zum Befüllen der Ummantelung (3) mit einem Gasbehälter, und 3b) Verbinden der Gasableitung (10) zum Entleeren der Ummantelung (3) mit einem weiteren Gasbehälter ausgeführt werden.Procedure according to Claim 12 , characterized in that the at least one cooling element (5) has a supply line (6) for filling a cooling element cavity (5a) with a cryogenic liquid and a discharge line (7) for emptying the cooling element cavity (5a) and the casing (3) has a gas supply line (9) for filling the casing (3) with a gas, in particular a pure gas, and a gas discharge line (10) for emptying the casing (3) and between step 2) and step 3) the intermediate steps 2a) connecting the supply line (6) for filling the at least one cooling element (5) with a coolant reservoir which has cryogenic liquid and 2b) connecting the discharge line (7) for emptying the at least one cooling element (5) with a further coolant reservoir are carried out and/or that after step 3) the intermediate steps 3a) connecting the gas supply line (9) for filling the casing (3) with a gas container, and 3b) connecting the gas discharge line (10) for emptying the casing (3) with another gas container. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich dem Schritt 3) der Schritt 4) das Befüllen der Ummantelung (3) über die Gaszuleitung (9) mit einem Gas und/oder das Befüllen des zumindest einen Kühlelements (5) über die Zuleitung (10) mit einer kryogenen Flüssigkeit anschließt.Procedure according to Claim 12 or 13 , characterized in that step 3) is followed by step 4) of filling the casing (3) with a gas via the gas supply line (9) and/or filling the at least one cooling element (5) with a cryogenic liquid via the supply line (10).
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