[發明專利]一種寬溫域低溫環境試驗箱

在審

• 申請號: 201710043525.7
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106769417A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 彭金方;金瀟;朱旻昊;蔡振兵;徐志彪;劉建華;張曉宇;劉曦洋;章武林;林修洲
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/32
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙)51229
• 代理人: 李蕊,何凡

技術領域

本發明屬于制冷箱體的技術領域，具體涉及一種寬溫域低溫環境試驗箱。

背景技術

微動疲勞是指結構件在外界疲勞負載作用下，兩個接觸表面之間發生微米級的相對運動，從而促使疲勞裂紋于早期萌生且加速其擴展，導致構件過早失效的現象。此現象廣泛地存在于機械、鐵路、汽車、船舶、航空航天、橋梁工程等領域工程構件中，微動疲勞致使零部件的服役壽命明顯降低，研究表明，微動疲勞致使構件的疲勞壽命降低20％～80％，甚至更低。因此，非常有必要對彎曲微動疲勞進行系統的研究，從而揭示彎曲微動疲勞的失效機理。

而現有對彎曲微動疲勞的研究主要是在室溫的環境下，于電液伺服疲勞機上進行的，而對于高速列車實際運行于各種復雜環境，因此，有必要對其環境溫度進行控制研究。

目前，常用穩定制冷方式有三種，分別為機械制冷、液氮制冷和冰鹽浴制冷。三種方法各有優缺點，機械制冷對箱內環境溫度具有較高的調控能力，能準確控制溫度并維持，缺點是體積大、噪音大、設備成本及維護費用高，降溫速率慢；液氮制冷具有很好的降溫性能，制冷低溫最低可達-150℃(采用液氮浸浴可達-180℃)，降溫速率可達60℃/min以上，其缺點是存在安全隱患，對操作人員要求較高；冰鹽浴制冷方法簡單，易操作，溫度能根據不同混合成分自動穩定在一定范圍，但獲得的溫度較低，難以達到深冷狀態，試樣需要浸泡在冰鹽混合溶液中。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種寬溫域低溫環境試驗箱，以解決現有構件對彎曲微動疲勞僅在室溫環境下進行研究和現有穩定制冷不能同時實現對溫度的精確調控、降溫速率快和維護成本低的問題。

為達到上述目的，本發明采取的技術方案是：

提供一種寬溫域低溫環境試驗箱，包括環境箱體和用于調節環境箱體內部溫度的溫度控制器；

環境箱體內設有用于固定彎曲疲勞夾具的螺柱；彎曲疲勞夾具上方設有調節箱內溫度的液氮噴頭和兩個位于彎曲疲勞夾具上方不同高度的溫度傳感器；環境箱體頂部殼體上設有與空氣熱交換的風扇和用于疲勞加載桿伸入加載試樣的疲勞試驗機插孔；環境箱體殼體包括內層、外層和保溫夾層，保溫夾層內均勻填充有低溫絕熱材料；

溫度控制器選用核心算法為PID的溫度控制器；風扇、溫度傳感器和液氮噴頭均與溫度控制器電氣連接；溫度傳感器和液氮噴頭之間的管路上設有控制液氮流量輸出的電磁閥。

優選地，保溫夾層的厚度為：

其中，∝₁為不銹鋼的厚度，∝₂為保溫夾層厚度，Ti為聚氨酯內側溫度，Ta為環境溫度，[Q]為傳熱量，h₁為保溫夾層內側對流換熱系數，h₂為保溫夾層外側的對流換熱系數，λ1為不銹鋼傳熱系數，λ2為聚氨酯泡沫的傳熱系數。

優選地，環境箱體箱門上設有觀測視窗，觀測視窗采用其內為真空或充入有干燥氣體的雙層結構。

優選地，液氮噴頭外接液氮儲存罐，液氮噴頭和液氮儲存罐間的管路上設有壓力表。

優選地，環境箱體殼體內層和外層的材質均為304不銹鋼，保溫夾層內低溫絕熱材料為聚氨酯泡沫塑料。

優選地，溫度傳感器為PT100溫度傳感器。

本發明提供的寬溫域低溫環境試驗箱，具有以下有益效果：

通過液氮噴頭向環境箱體內部輸送液氮，降低環境箱體內部的溫度，且環境箱體內部安裝有上下兩個溫度傳感器，將實時檢測到的溫度信息傳送到溫度控制器內，溫度控制器通過PID運算分析計算后，控制電磁閥對環境箱體內液氮的輸送量，同時控制風扇轉動，使環境箱體內空氣快速與外界進行熱交換，進而控制箱體內部溫度。此時，溫度傳感器繼續將溫度信息反饋給溫度控制器，直到環境箱體內部溫度達到設定值，且溫度穩定，波動值小；同時環境箱體箱門上設有便于觀察試驗結果的測視窗，為防止低溫下觀測視窗玻璃出現結露現象從而影響試驗現象的觀測，觀測視窗采用雙層結構，夾層抽真空或沖入干燥氣體；除此，環境箱體殼體為夾層結構，其保溫夾層內均勻填充有低溫絕熱材料，減緩箱體內部氣體與外界氣體的熱交換。

現有傳統的電液伺服疲勞機一般不對溫度加以控制，疲勞試驗所得結果與實際工況相比過于理想化，不能模擬出惡劣、極端環境下構件的微動疲勞狀況，而本發明的環境箱體可以安裝于疲勞試驗機上配合使用，并實現箱內溫度0℃～-150℃的連續可調，同時調溫過程快速而準確，且能實現自動調溫的功能，操作方便，工作穩定，安全可靠，維護成本低。

附圖說明

圖1為寬溫域低溫環境試驗箱的結構示意圖。