一种基于制冷机传导冷却的宽温区液体介质环境试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置。

背景技术

应用超导、空间技术、低温制冷等领域关注材料的低温特性，需要设计合适的低温试验装置研究材料在低温环境下的性质。现有的低温环境试验装置多采用真空环境搭配制冷机给试验材料提供冷量，虽然能够提供宽温区试验条件，但直接传导冷却方法在样品热稳定性方面存在不足，也较难开展样品耐压等带电试验，且当试验样品尺寸较大或形状特殊时，可能存在冷却困难或温度梯度大等问题。

所述“宽温区”的含义是“介质能方便实现的液体温区较宽”。以常用的液氮介质为例，能方便实现的液体温区一般认为是过冷液氮到饱和液氮的温区，即65K～77K，ΔT大约是12K。此温区较窄。此处“方便”指的是条件不过于极端、工程上可行，如压力不过分大。而液氮/四氟化碳混合介质，通过调节配比，认为可实现的液体温区在50K～120K，ΔT大约是70K，此温区很宽。

目前，针对液氦、液氖、饱和及过冷液氮设计的低温液体环境试验装置已有较多专利公开，低温液体介质浸泡的样品具有较好的热稳定性，方便试验的开展，也易于进行绝缘耐压、大电流冲击等试验，冷却效果也不受样品尺寸和形状的影响。此外，对于工作在液体介质环境的材料，液体介质环境能够反映实际工况。例如液体介质浸泡型高温超导电工装备，研制过程中不仅需了解所用液体介质的绝缘特性、液体介质浸泡环境下形成的固-液复合绝缘特性，还需要关注液体介质浸泡环境下超导带材和超导线圈的载流能力、失超恢复特性以及热稳定性等，这些试验均需在液体介质环境试验装置中进行。

上述试验数据的获取对液体介质浸泡型高温超导电工装备的绝缘设计有指导意义，也是其超导部件设计和制造的关键基础，但当前液体介质试验环境所用的液氦、液氖、液氮等介质温区均较窄，虽能满足特定工况的研究测试需求，但可获数据范围限制较大，使用宽温区混合液体介质，如液氮/四氟化碳的高温超导电工装备的各类试验和特性研究无法在现有装置中进行。

为进行特殊温区液体介质环境试验，中国专利CN111123052A公开了一种基于控温介质的绝缘特性试验装置，通过调节压力来改变控温介质温度可以对特殊温区液体介质的绝缘特性进行试验，但该装置对压力容器制造的要求较高。该装置在特殊温区液体介质绝缘特性测试方面具有优势，但在进行固-液复合绝缘特性试验、液体介质浸泡条件下超导带材和超导线圈的电磁性能试验、航天材料的力学试验等方面存在不足。

目前尚缺少合适的宽温区液体介质环境试验装置，难以开展宽温区液体介质绝缘特性试验、宽温区液体介质浸泡条件下固体绝缘特性试验和超导装置性能研究。

发明内容

本发明针对目前缺少宽温区液体介质环境试验装置、难以开展宽温区液体介质绝缘特性试验、宽温区液体介质浸泡条件下固体绝缘特性试验和超导装置性能研究的问题，提出一种基于制冷机传导冷却的宽温区液体介质环境试验装置。本发明可进行50-120K宽温区混合液体介质绝缘特性试验、宽温区混合液体介质浸泡环境下固-液复合绝缘特性试验，以及宽温区混合液体介质浸泡环境下超导带材和超导线圈电磁特性试验，为混合液体介质浸泡型高温超导电工装备的研发提供支撑。

为此，本发明提供以下技术方案：

本发明试验装置包括：真空低温腔体、低温试验腔体、高压电极、大电流引线、进气管、出气管、密封插头、试验部件、制冷机、气体缓冲罐和配气系统。

所述的真空低温腔体用于提供试验所需真空和低温环境，内置导冷件、试验腔体托盘以及低温试验腔体。所述导冷件为软纯铜线，一端从制冷机冷头末端引出，另一端固定于低温试验腔体底部，为低温试验腔体提供冷量。所述试验腔体托盘吊挂于真空低温腔体上盖板内部法兰上；所述的低温试验腔体置于试验腔体托盘上。低温试验腔体内盛装有宽温区混合液体介质液氮/四氟化碳，试验部件浸泡于液氮/四氟化碳中。

所述的高压电极和大电流引线均为上、下两段，上段高压电极和上段大电流引线通过穿墙套管固定于真空低温腔体的上盖板上，下段高压电极和下段大电流引线通过穿墙套管固定于低温试验腔体的上盖板上；上、下两段高压电极用软铜线连接，上、下两段大电流引线用软铜线连接。高压电极置于中央，两根大电流引线分别置于高压电极两侧。进行高压试验时，高压电极与真空低温腔体外的高压发生器连接，向试验部件施加高电压；进行大电流试验时，大电流引线与真空低温腔体外的电流源相连，向试验部件通入大电流。高压电极杆底部开有螺纹孔，用于更换不同形式的电极头，以获得均匀程度不同的电场条件。

所述进气管和出气管均为上、下两段，分别密封固定在真空低温腔体的上盖板边缘处和低温试验腔体的上盖板边缘处，上、下两段进气管和上、下两段出气管由真空用软管分别连接。配气系统包括气瓶、气体缓冲罐和配气管，配气管连接气瓶和接气体缓冲罐，将气瓶中的高纯度氮气和四氟化碳气体按照配比从气瓶输入气体缓冲罐。进气管的一端插入低温试验腔体内，进气管的另一端连通气体缓冲罐，将室温下的混合气体从气体缓冲罐送进低温试验腔体。出气管的一端插入低温试验腔体内，出气管的另一端外露于真空低温腔体外部。进气管和出气管设有阀门，可控制气路通断。

真空低温腔体的上盖板和低温试验腔体上盖板分别固定有密封插头，用于引出低温试验腔体内传感器的引线以及地电极的接地线。

所述的试验部件分为第一地电极、包覆有固体绝缘材料的第二地电极和超导带材或超导线圈三种。三种试验部件均包含环氧树脂或其他常用低温绝缘材料制作的圆柱形支撑固定件，试验时支撑固定件置于低温试验腔体底部。所述的第一地电极的支撑固定件顶部有中心开孔的绝缘盘，绝缘盘的孔径与高压电极的电极杆外径相等，试验前高压电极穿入绝缘盘的中心孔内，以保证高压电极正对第一地电极。包覆有固体绝缘材料的第二地电极的支撑固定件与第一地电极的支撑固定件结构相同。超导带材或超导线圈的支撑固定件的两侧装有线圈接线端子，试验时该线圈接线端子与大电流引线连接，超导带材盘绕在支撑固定件上，超导带材的首尾与线圈接线端子连接。

所述制冷机的冷头安装于真空低温腔体上盖板外侧边缘处，冷头伸入真空低温腔体内。冷头末端引出导冷件，导冷件的另一端固定于低温试验腔体底部，为低温试验腔体提供冷量。采用分子泵用于抽取真空低温腔体内部空气，以保证真空低温腔体适宜的真空度。气体缓冲罐用于盛装混合气体，与进气管相连。

本发明试验装置可进行宽温区混合液体介质绝缘特性试验、宽温区混合液体介质浸泡条件下固体绝缘材料绝缘特性试验，以及宽温区混合液体介质浸泡条件下超导带材和超导线圈电磁特性试验，本发明装置的工作过程如下：

宽温区混合液体介质绝缘特性试验：所用试验部件为第一地电极。将高压电极穿入地电极的支撑固定件顶部绝缘盘中心孔中，并装入低温试验腔体内。使用分子泵对真空低温腔体抽真空，机械泵对低温试验腔体抽真空。气瓶中的纯净气体N2、CF4根据试验所需温度：50-120K，按对应配比通过配气管输入气体缓冲罐：试验温区在50-80K时，N2:CF4摩尔比为45-90％；试验温区在80-120K时，N2:CF4摩尔比为2-20％。制冷机通过导冷件给低温试验腔体降温；气体缓冲罐中的混合气体由进气管通入低温试验腔体并冷凝成液体；高压电极与高压发生器连接，第一地电极接地线从密封插头引出并接地。试验时，高压电极的电极头和第一地电极浸没在混合液体介质中，高压电极和第一地电极之间形成强电场，超过混合液体介质放电的起始场强后介质被击穿。调整制冷机温度以及混合介质配比可获得50-120K温区不同温度下混合液体介质的击穿场强。

宽温区混合液体介质浸泡条件下固体绝缘材料绝缘特性试验：所用试验部件为包覆有固体绝缘材料的第二地电极。将高压电极穿入包覆有固体绝缘材料的第二地电极的支撑固定件顶部绝缘盘中心孔中，并装入低温试验腔体内；使用分子泵对真空低温腔体抽真空，机械泵对低温试验腔体抽真空。气瓶中的纯净气体按一定配比通过配气管输入气体缓冲罐；制冷机通过导冷件给低温试验腔体降温；气体缓冲罐中的混合气体由进气管通入低温试验腔体冷凝成液体；高压电极与高压发生器连接，包覆有固体绝缘材料的第二地电极的接地线从密封插头引出并接地。试验时，高压电极头和包覆有固体绝缘材料的第二地电极浸没在混合液体介质中，高压电极和包覆有固体绝缘材料的第二地电极之间不留间隙，可测量薄固体绝缘材料的击穿场强和厚固体绝缘材料的沿面闪络电压。调整制冷机温度可获得50-120K温区不同温度下薄固体绝缘材料的击穿场强、厚固体绝缘材料的沿面闪络电压等试验数据。

宽温区混合液体介质浸泡下超导带材和超导线圈电磁特性试验：所用试验部件为超导带材或超导线圈。将超导带材或超导线圈支撑固定件的线圈接线端子与大电流引线连接，装入低温试验腔体内。使用分子泵对真空低温腔体和低温试验腔体抽真空，使用机械泵对低温试验腔体抽真空。气瓶中的纯净气体按一定配比通过配气管输入气体缓冲罐。制冷机通过导冷件给低温试验腔体降温；气体缓冲罐中的混合气体由进气管通入低温试验腔体内并冷凝成液体。大电流引线与电流源连接。试验时，超导带材或超导线圈浸没在混合液体介质中，电流源产生大电流，由大电流引线通过线圈接线端子向超导带材或超导线圈通入大电流，可测50-120K温区的不同温度下超导带材的载流能力、失超恢复等特性。

本发明具有以下优点：

(1)本发明装置提供低温液体试验环境，与现有直接传导冷却的低温试验装置相比，试验样品热稳定性较好，冷却效果不受样品尺寸和形状的影响，且能克服直接传导冷却试验装置难以进行绝缘耐压、电流冲击等带电试验的缺点。

(2)本发明装置能够提供50-120K液体介质试验环境，可在较宽温区获取试验数据，弥补了现有低温液体环境试验装置温区窄的不足。

(3)本发明通过更换试验部件，可开展混合液体介质绝缘特性试验、液体介质浸泡条件下固-液复合绝缘特性试验、液体介质浸泡条件下超导带材和超导线圈电磁性能试验等，弥补了现有装置仅能进行低温液体绝缘试验的不足。

附图说明

图1为本发明试验装置实施例的结构图；

图2为本发明实施例的高压电极及其配套电极头的结构示意图；

图3为进行宽温区混合液体介质绝缘特性试验的本发明试验装置示意图；

图4为进行宽温区混合液体介质浸泡条件下固体绝缘材料绝缘特性试验的本发明试验装置示意图；

图5为进行宽温区混合液体介质浸泡条件下超导带材和超导线圈电磁特性试验的本发明试验装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明试验装置包括：真空低温腔体、低温试验腔体、高压电极、大电流引线、进出气管、密封插头、试验部件、制冷机、气体缓冲罐和配气系统。

图1所示为本发明试验装置实施例的结构图。如图1所示，本发明试验装置包括：真空低温腔体1，低温试验腔体2，高压电极9，大电流引线10，进气管8-1，出气管8-2，密封插头12，试验部件11，制冷机5，以及配气系统。其中，试验部件11分为地电极11-1、包覆有固体绝缘材料的地电极11-2和超导带材或超导线圈11-3三种。

所述的真空低温腔体1内置导冷件6、试验腔体托盘3以及低温试验腔体2，用于提供试验所需真空和低温环境。导冷件6为软纯铜线，一端从制冷机5的冷头末端引出，另一端固定于低温试验腔体2的底部，为低温试验腔体2提供冷量。所述试验腔体托盘3吊挂于真空低温腔体1上盖板内部法兰上；所述的低温试验腔体2置于试验腔体托盘3上。低温试验腔体2内盛装有宽温区混合液体介质液氮/四氟化碳，试验部件11浸泡于液氮/四氟化碳中。

所述的高压电极9和大电流引线10均为上、下两段，上段高压电极9和上段大电流引线10通过穿墙套管固定于真空低温腔体1的上盖板上，下段高压电极9和下段大电流引线10通过穿墙套管固定于低温试验腔体2的上盖板上；上、下两段高压电极9用软铜线连接，上、下两段大电流引线10用软铜线连接。高压电极9置于中央，两根大电流引线10分别置于高压电极9两侧。进行高压试验时，高压电极9与高压发生器连接，向试验部件11施加高电压。进行大电流试验时，大电流引线10与电流源相连，向试验部件11通入大电流。

高压电极由电极杆和电极头组成，电极杆底部开有螺纹孔，用于更换不同形式的电极头，以获得均匀程度不同的电场条件。高压电极及其配套电极头如图2所示。可选用的电极头形状包括但不限于图2所示的平板状、针尖状和半球状。

所述的进气管8-1和出气管8-2均为上、下两段，分别密封固定在真空低温腔体1的上盖板边缘处和低温试验腔体2的上盖板边缘处，上、下两段进气管8-1和上、下两段出气管8-2由真空用软管分别连接。进气管8-1的一端插入低温试验腔体2内，进气管8-1的另一端接气体缓冲罐7，将室温下的混合气体从气体缓冲罐7送进低温试验腔体2。出气管8-2的一端插入低温试验腔体2内，出气管8-2的另一端露于真空低温腔体1外部。进气管8-1和出气管8-2均设有阀门13，可控制气路通断。所述的配气系统包括配气管8-3、气瓶14和气体缓冲罐7。配气管8-3连接气瓶14和气体缓冲罐7，将气瓶14中的高纯度氮气和四氟化碳气体按照一定配比从气瓶14输入气体缓冲罐7。

真空低温腔体1的上盖板和低温试验腔体2的上盖板分别固定有密封插头12，用于引出低温试验腔体2内传感器的引线以及地电极的接地线。

所述的试验部件11分为第一地电极11-1、包覆有固体绝缘材料的第二地电极11-2和超导带材或超导线圈11-3三种。三种试验部件均包含环氧树脂或其他常用低温绝缘材料制作的圆柱形支撑固定件，试验时支撑固定件置于低温试验腔体2底部。所述的第一地电极11-1的支撑固定件顶部有中心开孔的绝缘盘，绝缘盘的孔径与高压电极的电极杆外径相等，试验前高压电极9穿入绝缘盘的中心孔内，以保证高压电极9正对第一地电极11-1。包覆有固体绝缘材料的第二地电极11-2的支撑固定件与第一地电极11-1的支撑固定件结构相同。超导带材或超导线圈11-3的支撑固定件的两侧装有线圈接线端子，试验时该线圈接线端子与大电流引线10连接，超导带材沿其支撑固定件盘绕，首尾与线圈接线端子相连。

所述的制冷机5的冷头安装于真空低温腔体1上盖板外侧边缘处，冷头伸入真空低温腔体内，制冷机5的冷头末端引出导冷件6，导冷件6的另一端固定于低温试验腔体2底部，为低温试验腔体2提供冷量。采用分子泵4用于抽取真空低温腔体1内部空气并保证适宜的真空度。气体缓冲罐7用于盛装混合气体，与进气管8-1相连。气瓶14用于盛装高纯度氮气和四氟化碳气体，与配气管8-3相连。

本发明试验装置可进行宽温区混合液体介质绝缘特性试验、宽温区混合液体介质浸泡条件下固体绝缘材料绝缘特性试验，以及宽温区混合液体介质浸泡条件下超导带材和超导线圈电磁特性试验，本发明装置的工作过程如下：

如图3所示，进行宽温区混合液体介质绝缘特性试验时，本发明试验装置选用的试验部件为第一地电极11-1。将高压电极9穿入第一地电极11-1的支撑固定件顶部绝缘盘中心孔中，并装入低温试验腔体2内；使用分子泵4对真空低温腔体1抽真空，机械泵对低温试验腔体2抽真空。气瓶14中的纯净气体N2、CF4根据试验所需温度：50-120K，按对应配比通过配气管输入气体缓冲罐：试验温区在50-80K时，N2:CF4摩尔比为45-90％；试验温区在80-120K时，N2:CF4摩尔比为2-20％。制冷机5通过导冷件6给低温试验腔体2降温；气体缓冲罐7中的混合气体由进气管8-1通入低温试验腔体2并冷凝成液体；高压电极9与高压发生器连接，第一地电极11-1的接地线从密封插头12引出并接地。试验时，高压电极的电极头和第一地电极11-1浸没在混合液体介质中，高压电极9和第一地电极11-1之间形成强电场，超过混合液体介质放电起始场强后介质被击穿。调整制冷机5的温度以及混合介质配比可获得50-120K温区不同温度下混合液体介质的击穿场强。

如图4所示，进行宽温区混合液体介质浸泡条件下固体绝缘材料绝缘特性试验时，本发明试验装置选用的试验部件为包覆有固体绝缘材料的第二地电极11-2。将高压电极9穿入包覆有固体绝缘材料的第二地电极11-2的支撑固定件顶部绝缘盘的中心孔中，并装入低温试验腔体2内；使用分子泵4对真空低温腔体1抽真空，机械泵对低温试验腔体2抽真空。气瓶14中的纯净气体按一定配比通过配气管8-3输入气体缓冲罐7；制冷机5通过导冷件6给低温试验腔体2降温；气体缓冲罐7中的混合气体由进气管8-1通入低温试验腔体2并冷凝成液体；高压电极9与高压发生器连接，包覆有固体绝缘材料的第二地电极11-2的接地线从密封插头12引出并接地。试验时，高压电极的电极头和包覆有固体绝缘材料的第二地电极11-2浸没在混合液体介质中，高压电极9和包覆有较薄固体绝缘材料的第二地电极11-2之间不留间隙，可测量薄固体绝缘材料的击穿场强，包覆有较厚绝缘材料的第二地电极11-2可沿厚固体绝缘材料的边缘测量沿面闪络电压。调整制冷机5的温度以及混合介质配比可获得50-120K温区不同温度下薄固体绝缘材料击穿场强、厚固体绝缘材料沿面闪络电压等试验数据。

如图5所示，进行宽温区混合液体介质浸泡条件下超导带材和超导线圈电磁特性试验时，本发明试验装置选用的试验部件为超导带材或超导线圈11-3。将超导带材或超导线圈支撑固定件的线圈接线端子与大电流引线10连接后装入低温试验腔体2内。使用分子泵4对真空低温腔体1抽真空，机械泵对低温试验腔体2抽真空。气瓶14中的纯净气体按一定配比通过配气管8-3输入气体缓冲罐7。制冷机5通过导冷件6给低温试验腔体2降温；气体缓冲罐7中的混合气体由进气管8-1通入低温试验腔体2并冷凝成液体；大电流引线10与电流源连接。试验时，超导带材或超导线圈11-3浸没在混合液体介质中，电流源产生大电流，由大电流引线10通过线圈接线端子向超导带材或超导线圈11-3通大电流，调整制冷机5的温度以及混合介质配比可测50-120K温区不同温度下超导带材和超导线圈的载流能力、失超恢复等特性。