Азотний кріостат для широкодіапазонної термообробки матеріалів

Реферат: Азотний кріостат для широкодіапазонної термообробки матеріалів містить вакуумований корпус, в якому розташовані резервуар-живильник з підвісними радіаційними екранами, що охоплюють резервуар-живильник і покажчик рівня, та датчик тиску, який з'єднаний з підсилювачем і клапаном постійного тиску, шахту з термостатованою камерою, у якій розташований датчик температури і яка з'єднана з резервуаром - живильником магістраллю, в якій розташований перемикаючий вентиль, нагрівач-випарник і датчик рівня кріорідини, а також регулятор температури, вхід якого зв'язаний з датчиком температури, а вихід - з нагрівачемвипарником. Термостатована камера виконана у вигляді контейнера - тримача з кришкою і термоізоляцією для оброблюваних об'єктів і з розташованими у ньому датчиком рівня і нагрівачем, а кріостат додатково оснащений комп'ютером, який з'єднаний з регулятором температури з можливістю синхронізовувати роботу кріостата в цілому, при цьому регулятор температури додатково зв'язаний з нагрівачем контейнера-тримача. UA 84214 U (12) UA 84214 U UA 84214 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі фізико-технічних випробувань і низько- та високотемпературної термообробки сталей та виробів з них з метою підвищення їх зносостійкості і призначена для автоматичного регулювання і стабілізації температури об'єкта із заданою швидкістю охолодження або нагріву в інтервалі 80-600 К з точністю ±0,5 К та можливістю багаторазового термоциклювання. В багатьох прикладних дослідницьких задачах важливим є знання поведінки властивостей матеріалу в широкому діапазоні температур, зокрема, від низької температури (абсолютний нуль), при якій усуваються всі коливання молекул, до високої, коли може відбутися фазове перетворення матеріалу в інший стан. Так, наприклад, відомо [1], що після кріогенної обробки спостерігається значне покращення зносостійкості сталей у порівнянні із закалюванням при високих температурах. При цьому час закалювання виробів може коливатись в широкому діапазоні від кількох хвилин або годин до доби і більше. Також доведено, що найбільш ефективним є не окреме застосування кріогенної обробки, а включення її в загальний процес термічної обробки з наступним низькотемпературним відпуском. Наступне нагрівання та видержка усувають внутрішні напруження, що виникли при охолодженні за рахунок відмінності коефіцієнтів температурного розширення аустеніту і мартенситу, що особливо важливо при термообробці сталей з великою вихідною кількістю залишкового аустеніту. Реалізувати такі процеси термообробки без великих затрат можливо за допомогою азотних рідинних кріостатів по причині їх більш простої конструкції у порівнянні з гелієвими, а також малою вартістю рідкого азоту у порівнянні з вартістю інших кріоагентів. Відомий пристрій для охолодження інфрачервоних (ІЧ) детекторів [2]. Пристрій містить теплоізольовану посудину, заповнену охолоджуючою рідиною, наприклад, рідким азотом, ІЧ детектор, розташований на кінці з'єднаного з посудиною металевого стержня і охолоджується шляхом відводу тепла по стержню, вікно для приймання "ІЧ-випромінення". Отриманий сигнал від детектора по дротам передається до підсилювача сигналу і індикатора. Однак цей пристрій не дозволяє отримати мінімально низьку (близьку до точки кипіння охолоджуючої рідини) температуру із-за відсутності безпосереднього контакту детектора з охолоджуючою рідиною і призначений для розміщення малогабаритних детекторів. Відомий також азотний кріостат для охолодження ІЧ-детекторів типа MN1815 випуску фірми "Oxford Instruments" (Англія) [3]. Вказаний кріостат містить теплоізольований азотний бак для розміщення кріоагента, який знаходиться усередині вакуумованого корпуса кріостата і підвішений до кришки корпуса на тонкостінних трубках, а також вугільний кріонасос, закріплений на кришці азотного бака кріостата, для досягнення максимального вакууму. Кріостат має 4 бокових оптичних вводу і один донний для прийому оптичного випромінення і може приймати горизонтальне або вертикальне положення в робочому режимі. 14 - детектор розташовується на зовнішній поверхні азотного бака. Недоліком цього рішення є його обмежене призначення тільки для невеликих за розмірами ІЧ-детекторів, і неможливість використання для фотоелектронних підсилювачів (ФЕП), що мають більші розміри. Відомий також азотний кріостат для ФЕП [4], але йому притаманна та ж сама вада. Окрім цього всі ці азотні кріостати не є терморегульованими і призначені для використання при температурі, близькій до температури кипіння рідкого азоту (77 К або -196 °C) або кімнатної температури (300 К або +20 °C). Регулювати температуру в діапазоні 80-1000 К (-199 °C + +700 °C) дозволяє кріосистема проточного типа [5], але вона призначена для мікрооптичних досліджень малогабаритних об'єктів. Крім того, для неї характерною вадою є великі витрати кріоагенту. Найближчим аналогом за сукупністю ознак і технічним результатом до того, що заявляється є рішення терморегульований кріостат з використанням рідкого азоту в якості робочого кріоагента, захищений патентом України [6]. Згідно найближчого аналогу в кріостаті терморегульованого кріостатного пристрою резервуар-живильник із кріогенною рідиною забезпечений датчиком тиску і випарником кріогенної рідини у вигляді електричного нагрівача, виконаного як опір і змонтованого на перемикаючому вентилі. Сигнал керування на нього подається від датчика тиску через підсилювач сигналу. Для захисту випарника від перегріву при зниженні рівня кріоагента в резервуарі поруч з випарником встановлений датчик рівня, що відключає нагрівання випарника у випадку зниження рівня нижче припустимого, а сам терморегульований кріостатний пристрій є двоконтурним і складається з контура терморегулювання і стабілізації температури, що містить кріостат, датчик температури, регулятор температури, електронагрівач на форкамері кріостата, регулятор витрат і контура підтримки тиску парів кріогенної рідини, що містить кріостат, індуктивний датчик тиску, клапан постійного тиску, генератор-дискримінатор з підсилювачем, нагрівач-випарник. Зразок чи прилад вводяться в термостатовану камеру за допомогою штока, виконаного у вигляді 1 UA 84214 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 особливо тонкостінної трубки з матеріалу з низькою теплопровідністю. Термостатована камера підвішена до тонкостінної труби підвісу, виготовленої з нержавіючої сталі. У верхній її частині знаходиться шлюзова камера, що забезпечує можливість зміни зразка, виведення випару. Датчик системи терморегулювання змонтований на штоку і вводиться до термостатованої камери разом з об'єктом дослідження. Рівень кріогенної рідини в резервуарі-живильнику визначається візуально за допомогою поплавкового покажчика рівня. Недоліком цього найближчого аналогу є недостатньо висока температура нагрівання об'єкту досліджень (350 К або +70 °C) і можливість обробки в ньому зразків невеликих розмірів (не більше діаметра терморегульованої камери, що може дорівнювати в дослідницьких кріостатах 33÷75 мм.) В основу корисної моделі поставлена задача розширення області застосування терморегульованого кріостатного пристрою рідинно-проточного типа за рахунок розширення області терморегулювання при використанні кріоагентів з малою теплоємністю парів. Поставлена задача вирішується тим, що в азотному кріостаті для широкодіапазонної термообробки матеріалів, що містить вакуумований корпус, в якому розташовані резервуарживильник із підвісними радіаційними екранами, що охоплюють резервуар-живильник і покажчик рівня, та датчик тиску, який з'єднаний з підсилювачем і який зв'язаний з клапаном постійного тиску, шахту з термостатованою камерою, у якій розташований датчик температури і яка з'єднана з резервуаром-живильником магістраллю, в якій розташований перемикаючий вентиль, нагрівач-випарник, датчик рівня кріорідини, а також регулятор температури, вхід якого зв'язаний з датчиком температури, а вихід - із нагрівачем-випарником, термостатована камера виконана у вигляді контейнера - тримача з кришкою і термоізоляцією для оброблюваних об'єктів і з розташованим у ньому датчиком рівня і нагрівачем, а кріостат додатково оснащений комп'ютером, який з'єднаний з регулятором температури з можливістю синхронізовувати роботу кріостата в цілому, при цьому регулятор температури додатково зв'язаний з нагрівачем контейнера-тримача. Те, що термостатована камера виконана у вигляді контейнера - тримача з кришкою і термоізоляцією для оброблюваних об'єктів і з розташованим у ньому датчиком рівня і нагрівачем, а кріостат додатково оснащений комп'ютером, який з'єднаний з регулятором температури з можливістю синхронізовувати роботу кріостата в цілому, при цьому регулятор температури додатково зв'язаний з нагрівачем контейнера-тримача, дозволяє з певною швидкістю знижувати температуру об'єкта від кімнатної до точки кипіння кріоагента, проводити витримку об'єкта при цій температурі протягом необхідного часу, після чого підвищувати температуру об'єкту до кімнатної з певною швидкістю за допомогою керування роботою електронагрівача, витримку об'єкта протягом заданого часу на цьому температурному рівні, а потім підвищувати температуру оброблюваного зразка від кімнатної до високих (оптимальним значенням для сталей є температура до 600 К (+ 300 °C). Термоізоляція контейнера дозволяє проводити нагрівання без впливу на роботу вузлів кріостата, тому після витримки зразка на високотемпературному рівні зразки можна охолодити до кімнатної температури і за необхідності повторити цикл термообробки. Корисна модель ілюструється схемами, де: на фіг. 1 приведена функціональна схема пристрою; фіг. 2 - вертикальний розріз кріостата; фіг. 3 - збільшений перетин дна системи; фіг. 4 - електромагніт перемикаючого вентиля. Азотний кріостат є двоконтурним (див. фіг. 1), і складається з контуру терморегулювання і стабілізації температури і контуру підтримки тиску парів кріогенної рідини. Контур терморегулювання і стабілізації температури містить кріостат 1, контейнер-тримач 2 з датчиком температури 3, датчиком рівня кріоагента 4 та нагрівачем 5, регулятор температури 6 та автоматизований вентиль-перемикач подачі кріоагента 7, керований електромагнітом 8. Контур підтримки тиску парів кріогенної рідини містить кріостат 1, з резервуаромживильником рідини 9, нагрівачем - випарником 10, який розташований на вентилі перемикачеві 7, датчиком тиску 11 з клапаном постійного тиску 12. Датчик тиску зв'язаний з підсилювачем 13, а датчик рівня кріоагента 14, розташований на вентилі перемикачеві 7. Ці контури функціонально та електрично зв'язані через комп'ютер (ПЕОМ) 15, який керує режимами роботи кріостата по заданому алгоритму. Кріостат (див. фіг. 2) складається із зовнішнього кожуха 16, резервуара-живильника кріоагента 9 підвішеного на тонкостінних нержавіючих трубках до зовнішнього кожуха 16, який має підвішений радіаційний екран 17, що обхоплює резервуар-живильник 9 та деталі магістралі подачі кріоагента 18 до контейнера-тримача 2. Шахта 19 кріостата для розміщення термостатованого контейнера-тримача 2 виготовлена із нержавіючої тонкостінної труби, яка підвішена до зовнішнього кожуха кріостата 16, та має в верхній частині люк 20 для 2 UA 84214 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 завантаження і вивантаження контейнера - тримача 2 при зміні оброблюваних зразків, а у центру дна шахти 18 змонтований ніпель 19 магістралі подачі кріоагента 18 від вентиляперемикача 7 у вигляді парів або рідини. Рівень кріогенної рідини в резервуарі-живильнику 9 визначається візуально за допомогою поплавкового покажчика рівня 22. Контейнер-тримач 2 з кришкою 23 виконані із нержавіючої сталі двохстінними з термоізоляцією 24 між стінками, причому в центрі дна вмонтований розсікач потоку 25 (див. фіг. 3), який розподіляє рівномірно потік кріоагента між дном контейнера-тримача та виймальним перфорованим диском 26, закріпленим над розсікачем потоку 25, який має ущільнення 27 для забезпечення щільного з'єднання з ніпелем 21 при завантаженні контейнера-тримача 2 в шахту 19. Нагрівач 5 вмонтований між дном контейнера-тримача та перфорованим диском 26. Вентиль-перемикач 7 має пружину 28 (див. фіг. 4), під дією якої вентиль-перемикач 7 відмикає подачу рідкого кріоагента, а при спрацюванні електромагніта 8 - вмикає. Пристрій працює у такий спосіб. Виймають контейнер 2 із шахти 19 кріостата, попередньо знявши люк 20. Відкривають кришку 23 контейнера і завантажують контейнер об'єктами, які потребують кріообробки, та опускають контейнер у кріостат. Резервуар-живильник 9 кріостата 1 заповнюють рідким азотом. Рівень кріорідини у резервуарі - живильнику визначається візуально за допомогою поплавкового покажчика рівня 22, а тиск підтримується нагрівачем - випарником 10, який зв'язаний з датчиком тиску 11, та з підсилювачем 13. У разі падіння рівня кріорідини у резервуарі-живильнику до рівня датчика рівня 14, нагрівач випарник 10 вимикається, подається звуковий сигнал, що сповіщає про необхідність до-заливки кріорідини у резервуар - живильник. Через комп'ютер 15 задається необхідний температурний рівень в контейнері - тримачі 2, швидкість його досягнення, та час витримки оброблюваного об'єкту на заданому рівні. Азот надходить із резервуара-живильника 9 через автоматизований вентиль-перемикач подачі кріоагента 7, керований електромагнітом 8, у магістраль подачі 18 і в контейнер-тримач 2. При досягненні температури, близької до точки кипіння рідкого азоту, сигнал від датчика температури З перемикає вентиль 7 режиму подачі кріоагента з газоподібного на рідинний, після чого в контейнер 2 надходить рідкий кріоагент. Після досягнення кріоагентом верхнього рівня контейнера спрацьовує датчик рівня 4 і по сигналу від датчика електромагніт 8 вимикає вентиль подачі кріоагента 7 і надходження рідкого азоту в контейнер припиняється. Після витримки зразків в рідкому азоті певного часу комп'ютер, який по заданій програмі керує нагрівом кріоагента і його виведенням з контейнера підвищує температуру об'єкту до кімнатної. Після досягнення цієї температури пристрій переходить в режим очікування, об'єкт у контейнері проходить витримку при цій температурі протягом необхідного часу, а потім сигнал від комп'ютера 15, по заданій програмі з певною швидкістю через нагрівач 5 підвищує температуру контейнера 2 із зразками до заданої високої (наприклад, + 300 °C). Після досягнення заданої температури нагрівач 5 працює в режимі підтримки заданої температури на певний час та подальшого зниження температури до кімнатної. Після цього цикл термообробки повторюється необхідну кількість разів. Джерела інформації: 1. Гуляев А.П. Разложение остаточного аутенсита при температуре ниже 0 °C, "Вестник инженеров и техников" – 1937 г. - № 5. 2. Микулин Ε.И. Криогенная техника - Москва, Машиностроение, 1969 г. - с. 272. 3. Oxford Instruments ltd, Systems for Spectroscopy. Oxford: Scientific Research Division, Research Instruments, 1996-p.31. 4. Жарков I.П., Маслов В.О., Ходунов В.О., Чмуль А.Г., патент України на корисну модель № 56938 МПК G05D 23/30, "Кріостат для фотоелектронних підсилювачів", Бюл. № 3 від 10.02.2011. 5. Жарков І.П., Єрмаков В.Μ., Подолич В.Б., Сафронов В.В., Селиванов В.О., Солонецький А.Г., Чмуль А.Г, патент України на корисну модель № 48607, МПК F23D 3/00, "Проточний кріостат для мікро оптичних досліджень", Бюл. № 6 від 25.03. 2010. 6. Жарков І.П., Єрмаков В.М., Сафронов В.В., Чмуль А.Г, деклараційний патент України на корисну модель № 18778, G05D 23/30, Бюл. № 6 від 25.03.2010. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Азотний кріостат для широкодіапазонної термообробки матеріалів, що містить вакуумований корпус, в якому розташовані резервуар-живильник з підвісними радіаційними екранами, що охоплюють резервуар-живильник і покажчик рівня, та датчик тиску, який з'єднаний з підсилювачем і клапаном постійного тиску, шахту з термостатованою камерою, у якій розташований датчик температури і яка з'єднана з резервуаром - живильником магістраллю, в 3 UA 84214 U 5 якій розташований перемикаючий вентиль, нагрівач-випарник і датчик рівня кріорідини, а також регулятор температури, вхід якого зв'язаний з датчиком температури, а вихід - з нагрівачемвипарником, який відрізняється тим, що термостатована камера виконана у вигляді контейнера - тримача з кришкою і термоізоляцією для оброблюваних об'єктів і з розташованими у ньому датчиком рівня і нагрівачем, а кріостат додатково оснащений комп'ютером, який з'єднаний з регулятором температури з можливістю синхронізовувати роботу кріостата в цілому, при цьому регулятор температури додатково зв'язаний з нагрівачем контейнера-тримача. 4 UA 84214 U 5 UA 84214 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6