Жидкоазотно-термоэлектрический термостат лабораторного назначения

Жидкоазотно-термоэлектрический термостат лабораторного назначения.
Полезная модель относится к технике механических испытаний конструкционных материалов в условиях низких температур.
Механические свойства конструкционных материалов, применяемых для создания автотранспортной техники, предназначенной для работы в условиях пониженных температур, например в арктических условиях, исследуют с применением разнообразных методик, осуществляемых в лабораторных условиях при температурах, отвечающих предстоящим условиям эксплуатации механизмов, для чего разработано соответствующее испытательное оборудование.
В частности, для испытания материалов на разрыв при низкой температуре применяют разрывные машины, дополненные устройством, охлаждающим испытываемый материал до требуемой температуры и поддерживающим эту температуру в процессе испытания. Поддерживать температуру образца в процессе испытания важно, так как при деформации образец нагревается. Поэтому процесс испытания на разрыв при низких температурах выполняют при погружении испытуемого образца непосредственно в охлаждающую жидкость.
Известно много конструкций таких охлаждающих устройств. Например, известны криостаты для испытаний на разрыв "Металлы и сплавы. Справочник", под ред. Ю.Л.Солнцева, С.-Пб, АНО "Профессионал", 2003 г., с.60.
Недостатком является то, что для замены испытуемого образца охлаждающую жидкость из криостата приходится удалять.
Кроме того применение таких криостатов естественно при исследованиях именно при криогенных температурах для , например, космической техники, в то время, как разработчиков автотранспортной техники интересуют лишь температуры, свойственные арктическим широтам: от 0°С до -60°С).
В качестве прототипа выбираем патент на полезную модель №180198 "Жидкоазотно-термоэлектрический термостат лабораторного назначения" включающий теплоизолированный рабочий объём, термоэлектрическую холодильную систему, установленную на теплоизолированный объём с возможностью её удаления и герметизацией стыковочного фланца теплоизолирующей крышкой, и жидкоазотную систему охлаждения, установленную на теплоизолированный рабочий объём с возможностью отсечения от теплоизолированного рабочего объёма герметичным теплоизолирующим шибером, причем каждая холодильная система имеет свой индивидуальный блок поддержания температуры в рабочем объеме.
Жидкоазотно-термоэлектрический термостат по пат. 180198 - легко трансформируемое устройство, которое легко приспособить для выполнения многих задач в том числе и для испытаний материалов на разрыв при пониженных температурах от 0°С вплоть до температуры кипения жидкого азота.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает следующий технический результат – обеспечение возможности испытаний материалов на разрыв при пониженных температурах в диапазоне температур от 0°С до жидкоазотных температур (-196°С) без необходимости удаления охлаждающей жидкости из теплоизолированного рабочего объема.
Технический результат достигается тем, что в жидкоазотно-термоэлектрическом термостате лабораторного назначения, включающем теплоизолированный рабочий объём, термоэлектрическую холодильную систему, установленную на теплоизолированном рабочем объёме с возможностью её удаления и герметизацией стыковочного фланца теплоизолирующей крышкой, жидкоазотную систему охлаждения, соединенную с теплоизолированным рабочим объёмом с возможностью отделения от него герметичным теплоизолирующим шибером, причем и термоэлектрическая холодильная система и жидкоазотная система охлаждения имеют каждая индивидуальный блок поддержания температуры в теплоизолированном рабочем объеме, термоэлектрическая холодильная система выполнена с возможностью расположения на боковой стенке теплоизолированного рабочего объёма, в верхней и нижней частях которого обеспечена возможность установки тяг разрывной машины с устройствами для крепления испытуемых образцов, охлаждение которых обеспечено охлаждающей жидкостью, помещенной в емкость из эластичного материала, верхним сечением, прикрепленную к жесткому кольцу, образующему горловину емкости, а нижним сечением герметично прикрепленную к нижней тяге разрывной машины, причем горловина емкости выполнена с возможностью фиксации относительно нижней тяги разрывной машины, как на верхнем рабочем уровне, так и на нижнем уровне, предназначенном только для перезагрузки испытуемого образца, кроме того, вся охлаждающая жидкость размещена с возможностью полного распределения в емкость, смещающуюся по действием веса жидкости в ней на дно теплоизолированного рабочего объёма, обеспечивая возможность полного освобождения устройств для крепления испытуемых образцов от жидкости для загрузки следующего испытуемого образца, который для предварительного охлаждения заранее размещен в теплоизолированный рабочий объём.
Сущность полезной модели поясняется на схеме конструкции, изображенной на фиг.1.
Предлагаемое устройство состоит из двух теплоизолированных объемов 1 и 2. Объем 1 – рабочий объем, объем 2, который является жидкоазотной холодильной системой и содержит емкость 3 с жидким азотом, который, при необходимости работы с азотными температурами, может заливаться через крышку 4. Объем 2 может быть отделен от объема 1 теплоизолирующим шибером 5, который может передвигаться, отсекая объем 2 от рабочего объема 1. Вентилятор 6 нагнетает при открытом шибере 5 пары жидкого азота в рабочий объем 1, охлаждая его. Второе назначение вентилятора 6 - обеспечение циркуляции воздуха в рабочем объеме 1 для обеспечения равномерности температуры в нем. Для поддержания температуры с точностью до ±1°С предназначена система дозированного впуска паров азота 7, работающая под управлением блока управления 8 совместно с датчиком температуры 9.
На рабочем объеме 1 установлена термоэлектрическая холодильная система 10 (показана условно), состоящая из двух одинаковых блоков. Питание постоянным током одновременно обеих термоэлектрических систем осуществляется от блока управления 11 совместно с датчиком температуры 12. При работе с жидкоазотной системой, обеспечивающей более низкую температуру в рабочей камере, чем термоэлектрическая система 10, последняя вместе с крышкой, на которой она установлена, с рабочего объема 1 снимается, а на ее место устанавливается глухая теплоизоляционная крышка.
На Фиг.1 схематично изображены внутри рабочего объема 1 тяги разрывной машины 13 и 14 с зажимами 15 и 16, в которые закрепляют испытываемый образец 17. Образец 18, который будут испытывать в следующем цикле (или даже несколько образцов), для предварительного охлаждения устанавливают внутри охлаждаемого объема. Охлаждающую жидкость 19, как правило, спирт этиловый ректификованный, наливают в эластичную емкость 20 (до -70°С в качестве емкости хорошо работает полиэтиленовый пакет), которая прикреплена своим верхним краем к металлическому кольцу, образующему горловину 21, охватывающую верхнюю тягу разрывной машины. Горловину можно вручную перемещать вверх и вниз, ее диаметр больше диаметра зажимов 15 и 16, и закреплять как в верхнем положении, так и в нижнем положении 22, где ее закрепляют на таком уровне, чтобы полностью освободить от жидкости оба зажима разрывной машины, но чтобы вся жидкость помещалась в емкости, сместившейся по действием веса жидкости в ней, на дно рабочего объёма. Для контроля температуры жидкости предназначен термометрический датчик 23, работающий совместно с термоизмерителем 24.
Жидкость вместе с установленным испытуемым образцом нуждается в охлаждении до рабочей температуры только при первом испытании на разрыв, при последующих испытаниях охлаждать жидкость не требуется, при перезагрузке образцов она не успевает нагреться, а если охлаждение требуется, оно делается с помощью термоэлектрической системы охлаждения (до температуры -20°С) или азотной (до температуры вплоть до – 196°С). Жидкость перед заливкой в емкость может быть и предварительно охлаждена в отдельной холодильной системе, что может сэкономить рабочее время разрывной машины.
До температуры не ниже – 70°С хорошо работает полиэтиленовый пакет. Для более низкой температуры – пакет из фторопластовой пленки.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает возможность испытания на разрыв в широком диапазоне отрицательных температур от 0 до -196°С. Стоимость такой системы в несопоставимо меньше имеющегося в продаже холодильного оборудования, предназначенного для работы в комплексе с разрывной машиной. Надежность и ремонтопригодность холодильной системы, в которой отсутствуют подвижные части, очень высока. Более того, в силу простоты конструкции она может быть легко изготовлена персоналом лаборатории.