[发明专利]以制冷机做冷源的材料低温热膨胀系数测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料低温热膨胀系数测试装置，尤其涉及一种适用于低温环境（4.2k～300K）下的制冷机做冷源的材料低温热膨胀系数测试装置。

背景技术

随着我国氢能源、核聚变能、航空航天、应用超导、气体工业以及一些大科学工程等领域的发展，涉及到低温工程的项目越来越多。在工业和科研领域对低温材料的需求越来越大，对低温材料的性能数据要求越来越全面。材料在低温环境下工作，其低温物理性能通常不同于常温性能。其中，材料热膨胀系数是工程中材料或工件的一个重要性能指标。测试材料在低温下的热膨胀系数，对低温设备和器件的设计具有重要的意义，对低温构件的安全使用也至关重要。

而要实现最低温度到4.2K的热膨胀系数测试，必须具有可到4.2K温度的冷源。目前材料低温热膨胀系数测试装置均采用低温液体（液氮77K或液氦4.2K）作为冷源；工作时将低温液体容器中的低温液体（液氮77K或液氦4.2K）输入到真空夹层杜瓦中，低温液体将低温热膨胀系数测试支撑架和待测样品冷却，再通过温控器和低温液体蒸发器配合使用控制低温支撑架和待测样品的温度。随后低温液体变成气体从出气口中排出。该测试装置在工作中会消耗大量的液氮或液氦；每次进行77K以下温区材料热膨胀系数测试都得消耗大量的液氦，例如，进行一次4.2K温度热膨胀系数测试需要消耗20升液氦。

氦气是地球上宝贵的不可再生资源，目前全球氦气量分布约400亿立方米，其中美国占75%以上，阿尔及利亚占12%，俄罗斯约6%。全球氦气的消耗量为每年1.65亿立方米，且以10%的增长率迅速增长，其中中国每年消耗量占全球的6%，消耗增长率高达20%。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，难以提取，严重依赖进口。但是，自2007年由于美国核定氦气为战略物资而限制粗氦产量，实行配给制，削减用户使用量。这导致全球最大的氦气生产及供应商普莱克斯和BOC公司将氦气价格上调一倍，使液氦的价格由原来60～80元/每升，涨到目前200元/每升以上，甚至有些医院的核磁成像仪临时需用液氦的价格上涨到近300元/每升，并且氦资源进口受到越来越严格的控制。例如，2008年上半年，氦气断供，极大地影响我国低温研究工作的开展。在可以预计，未来氦气进口会受到更严格的控制，届时我国大量低温研究工作将受液氦供应不足的限制。

目前的材料低温热膨胀系数测试装置的缺陷在于严重依赖液氮或液氦资源、成本高、操作复杂。因此，开发一种以制冷机作为冷源，无需消耗液氮或液氦的材料低温热膨胀系数测试设备具有非常重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以制冷机做冷源的材料低温热膨胀系数测试装置，以克服现有材料低温热膨胀系数测试装置的严重依赖液氮或液氦资源、成本高、操作复杂等缺陷。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的以制冷机做冷源的材料低温热膨胀系数测试装置，其包括：

一安装于支撑架的水平支板2上的高分辨率LVDT位移传感器1；

一上端安装于高分辨率LVDT位移传感器1下端面的带底板的筒型石英支架（4），所述该筒型支架4下部侧壁上开有侧壁孔；

一位于所述筒型石英支架4轴向中心的顶杆41，所述顶杆41上端与所述高分辨率LVDT位移传感器1下端面相连；

一置于高分辨率LVDT位移传感器1及水平支板2正下方的真空绝热桶9；

一中下部安装于所述真空绝热桶9之内的内部装有温控器7的试样腔5；所述试样腔5将所述石英支架4罩于其内；所述温控器7位于试样腔5的下部，所述试样腔5为上部试样腔和下部试样腔连接而成；

一将所述试样腔5中下部罩于其中，且位于所述真空绝热桶9之内的防热辐射屏10；

一内装氦气的外置储气袋11；所述外置储气袋11通过输气管8与所述试样腔5相连通，以用于试样腔5的氦气输送和氦气回收；

其特征在于，还包括：

一制冷机3；所述制冷机3冷头置于所述真空绝热桶9之内，通过软联接与所述试样腔5相接触，以提供试样腔5的冷量。

所述制冷机3的一级冷头与防热辐射屏10通过金属导热材料连接，并为之提供冷量；制冷机3的二级冷头与试样腔5的通过金属导热材料连接，并为之提供冷量。所述金属导热材料为铜或银。

所述温控器7由外部计算机控制温度和温度数据采集。

所述高分辨率LVDT位移传感器1数据由外部计算机采集。

所述的制冷机3为单台制冷机或多台并联的制冷机组，制冷机正立放置或倒立放置。