用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，第一激光器發(fā)出的激光垂直照射到實(shí)驗(yàn)樣品上，實(shí)驗(yàn)樣品置于噴管的噴嘴上方，噴管安裝在基座的上表面，基座的一個側(cè)面設(shè)有進(jìn)氣管接頭、進(jìn)水管接頭和出水管接頭，進(jìn)氣管接頭連接有保溫管道的一端，基座內(nèi)部設(shè)有氣流通道，氣流通道將噴管的噴嘴與保溫管道連通，保溫管道的另一端連接在線式氣體加熱器，基座下表面設(shè)有窗口，窗口上安裝有透鏡蓋，透鏡蓋上鑲嵌有透鏡將窗口覆蓋，第二激光器發(fā)出的激光通過第二反射鏡反射后從實(shí)驗(yàn)樣品的下方垂直照射到實(shí)驗(yàn)樣品上。本實(shí)用新型的有益效果是利用雙激光對材料加熱，有效減少實(shí)驗(yàn)材料上下部分的溫度梯度。
【專利說明】用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]材料的熔融狀態(tài)涉及到化工、冶金、航天、軍事等多個領(lǐng)域，材料在相變過程中的輻射性質(zhì)是重要研究對象。在傳統(tǒng)加熱爐里對置于容器中的高溫熔融態(tài)樣品進(jìn)行研究時(shí)伴隨著難以克服的困難，例如:樣品與容器存在化學(xué)反應(yīng)，樣品容易被容器污染，由于異質(zhì)形核作用難以獲得深度過冷，很難到達(dá)1500°C以上的高溫。世界各地的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了多種無容器懸浮裝置來研究高溫材料，懸浮方式主要有靜電懸浮、電磁懸浮、聲懸浮和氣動懸浮等。懸浮熔化凝固方法可防止熔體接觸污染，抑制非均勻形核，獲得深度過冷及快速凝固效果，是一種研究與制備新材料的重要方法，應(yīng)用前景廣泛。目前，在彌散顆粒紅外光譜輻射特性的測量方面，氣動懸浮技術(shù)已經(jīng)開始得到應(yīng)用，通常是在腔體內(nèi)，利用氣流吹起經(jīng)過加熱的粒子團(tuán)簇，實(shí)現(xiàn)懸浮，測量懸浮狀態(tài)粒子輻射特性問題。該方法的粒子加熱溫度不是很高，不適用于研究單個毫米級尺寸材料相變過程中的輻射特性，難以現(xiàn)實(shí)高溫熔體冷卻至凝固階段的冷速控制。
[0003]在懸浮加熱的過程中，氣流對實(shí)驗(yàn)材料底部不可避免存在對流冷卻作用，在普通噴管中，懸浮的球形顆?；蚯蛐我旱问遣粩嘈D(zhuǎn)的，通常是近似沿著豎直軸旋轉(zhuǎn)。如果采用激光自上而下輻照實(shí)驗(yàn)材料，盡管材料不斷旋轉(zhuǎn)，材料下表面由于不能直接接收到激光輻照，溫度較低，這是實(shí)驗(yàn)材料上下部分產(chǎn)生溫度梯度的主要原因之一。當(dāng)這種溫度不均勻性較大時(shí)，可能造成實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，解決現(xiàn)有氣動懸浮加熱裝置中被加熱實(shí)驗(yàn)樣品上下部分溫度梯度較大的問題。
[0005]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是包括第一激光器，第一激光器發(fā)出的激光通過第一反射鏡反射后從實(shí)驗(yàn)樣品上方垂直照射到實(shí)驗(yàn)樣品上，實(shí)驗(yàn)樣品置于噴管的噴嘴上方，被噴管的噴嘴噴出的氣流托起，噴管安裝在基座的上表面，基座的一個側(cè)面設(shè)有進(jìn)氣管接頭、進(jìn)水管接頭和出水管接頭，進(jìn)氣管接頭連接有保溫管道的一端，基座內(nèi)部設(shè)有氣流通道，氣流通道將噴管的噴嘴與保溫管道連通，保溫管道的另一端連接在線式氣體加熱器，進(jìn)水管接頭和出水管接頭分別連接進(jìn)水管和出水管，使外部冷卻水從基座內(nèi)流過，對基座進(jìn)行降溫，基座下表面設(shè)有窗口，窗口上安裝有透鏡蓋，透鏡蓋上鑲嵌有透鏡將窗口覆蓋，第二激光器發(fā)出的激光通過第二反射鏡反射后從透鏡下方垂直射入基座內(nèi)、并穿過基座內(nèi)部的氣流通道從實(shí)驗(yàn)樣品的下方垂直照射到實(shí)驗(yàn)樣品上。
[0006]進(jìn)一步，所述噴管被兩個壓條壓緊固定在基座的上表面。
[0007]進(jìn)一步，所述噴管側(cè)壁加工了一定傾角的通孔，氣流通過噴管喉部時(shí)流場將不完全對稱，實(shí)驗(yàn)樣品懸浮時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸與豎直軸存在一定傾角，激光加熱面積增加。
[0008]進(jìn)一步，所述在線式氣體加熱器將氣流溫度在20°C?120°C之間連續(xù)調(diào)節(jié)。
[0009]進(jìn)一步，所述噴管基座氣流通道內(nèi)壁和噴管內(nèi)壁噴涂隔熱涂料。
[0010]進(jìn)一步，所述基座采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅合金制成。
[0011]進(jìn)一步，所述透鏡片為紫外級融石英鏡片，對355nm的紫外激光可以實(shí)現(xiàn)很高的透過率。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果是利用雙激光對材料加熱后，可以實(shí)現(xiàn)樣品在熔化、相變、凝固整個實(shí)驗(yàn)過程中穩(wěn)定懸浮，有效減少實(shí)驗(yàn)材料上下部分的溫度梯度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本實(shí)用新型用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置基座不意圖；
[0015]圖3是本實(shí)用新型用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置的基座裝置零件立體展開圖；
[0016]圖4是本實(shí)用新型用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置的噴管立體剖面圖。
[0017]圖中1.第一激光器、2.第一反射鏡、3.實(shí)驗(yàn)樣品、4.噴管、5.基座、6.保溫管道、7.在線式氣體加熱器、8.壓條、9.進(jìn)氣管接頭、10.進(jìn)水管接頭、11.出水管接頭、12.透鏡、
13.透鏡蓋、14.第二激光器、15.第二反射鏡、401.通孔。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]圖1顯示了本實(shí)用新型裝置采用雙激光器I加熱并使用在線式氣體加熱器7預(yù)熱氣體的示意圖。如圖1、圖2所示，穩(wěn)定后的氣流通過在線式氣體加熱器7加熱，根據(jù)不同情況，氣流溫度可以在20°C?120°C之間連續(xù)調(diào)節(jié)。匹配加熱器的好處是，提高和維持氣流溫度，用具有一定溫度的熱氣流吹起實(shí)驗(yàn)樣品，減少氣流的對流冷卻作用，降低樣品不同部分的溫度梯度。為了減少氣流熱量散失，在線式氣體加熱器7至噴管基座5進(jìn)氣管接頭9之間采用的是保溫管道6，且在噴管基座5氣流通道內(nèi)壁和噴管4內(nèi)壁噴涂隔熱涂料，該涂料具有較低導(dǎo)熱系數(shù)，利用陶瓷和空心微珠中空氣的低熱傳導(dǎo)性減少基材對來流熱量吸收，保證從噴管噴出的氣體保有較高溫度。
[0020]如圖2所示，為噴管4裝置示意圖，根據(jù)不同的懸浮材料和實(shí)驗(yàn)要求，可以方便替換不同形式的噴管4。壓縮氣體經(jīng)由進(jìn)氣管接頭9引入噴管基座5，流經(jīng)內(nèi)部氣道，最終從噴管4噴出。激光光束照射實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，不可避免會對噴管4有加熱作用，為防止噴管4過熱，基座5采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅合金制成，冷卻水通過進(jìn)水管接頭10進(jìn)入基座5的U型通道內(nèi)進(jìn)行冷卻。
[0021]圖3為基座5展開示意圖，透鏡12為紫外級融石英鏡片，對355nm的紫外激光可以實(shí)現(xiàn)很高的透過率，也可以根據(jù)所采用的激光波段不同而替換。從底部加熱樣品可以有效提高樣品在加熱過程中的溫度均勻性，進(jìn)一步減少溫度梯度。
[0022]圖4為噴管4剖面圖，噴管4采用漸縮漸擴(kuò)形式，內(nèi)壁噴涂隔熱涂料。在普通噴管中，懸浮的球形顆粒或球形液滴是不斷旋轉(zhuǎn)的，通常是近似沿著豎直軸旋轉(zhuǎn)。如果采用激光自上而下輻照實(shí)驗(yàn)材料，盡管材料不斷旋轉(zhuǎn)，材料下表面由于不能直接接收到激光輻照，溫度較低，這是產(chǎn)生溫度梯度的主要原因之一。因此本實(shí)用新型系統(tǒng)中噴管4側(cè)壁加工了一定傾角的通孔401，氣流通過噴管喉部時(shí)流場將不完全對稱，實(shí)驗(yàn)樣品3懸浮時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸與豎直軸存在一定傾角，激光加熱面積明顯增加，溫度均勻性得到顯著提高。
[0023]本實(shí)用新型在加熱過程中，為使被加熱材料不同部分溫度均勻，進(jìn)行了以下三方面的設(shè)計(jì):
[0024]1.使經(jīng)過預(yù)熱的具有較高溫度的氣流進(jìn)入噴管4，噴管基座5氣流通道和噴管內(nèi)壁噴涂隔熱涂料，該涂料具有較低導(dǎo)熱系數(shù)，保證從噴管4噴出的氣體保有較高溫度，減少被懸浮材料下表面因?qū)α骼鋮s產(chǎn)生的溫度梯度；
[0025]2.噴管4側(cè)壁面設(shè)有一定傾斜角度的通孔401，改變被懸浮材料沿鉛直軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，使其旋轉(zhuǎn)軸與鉛直軸成一定角度，在旋轉(zhuǎn)過程中激光可直接加熱材料下側(cè)表面，有效減少材料上下部分的溫度梯度；
[0026]3.噴管基座5底部安裝有透鏡12，配合反射光路，可布置兩束激光實(shí)現(xiàn)上、下同時(shí)加熱材料的功能，進(jìn)一步減少材料不同部分的溫差。
[0027]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:提出了一種基于空氣動力的，用于高溫條件下顆粒相變過程輻射特性測量實(shí)驗(yàn)的噴管氣動懸浮加熱裝置，采用特殊設(shè)計(jì)噴管中噴出的熱氣流吹起材料樣品，利用雙激光對材料加熱后，可以實(shí)現(xiàn)樣品在熔化、相變、凝固整個實(shí)驗(yàn)過程中穩(wěn)定懸浮，有效減少實(shí)驗(yàn)材料上下部分的溫度梯度。
[0028]以上所述僅是對本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式而已，并非對本實(shí)用新型作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，其特征在于:包括第一激光器(I)，第一激光器(I)發(fā)出的激光通過第一反射鏡(2)反射后從實(shí)驗(yàn)樣品(3)上方垂直照射到實(shí)驗(yàn)樣品(3)上，實(shí)驗(yàn)樣品(3)置于噴管(4)的噴嘴上方，被噴管(4)的噴嘴噴出的氣流托起，噴管(4)安裝在基座(5)的上表面，基座(5)的一個側(cè)面設(shè)有進(jìn)氣管接頭(9)、進(jìn)水管接頭(10)和出水管接頭(11)，進(jìn)氣管接頭(9)連接有保溫管道￠)的一端，基座(5)內(nèi)部設(shè)有氣流通道，氣流通道將噴管(4)的噴嘴與保溫管道(6)連通，保溫管道(6)的另一端連接在線式氣體加熱器(7)，進(jìn)水管接頭(10)和出水管接頭(11)分別連接進(jìn)水管和出水管，使外部冷卻水從基座(5)內(nèi)流過，對基座(5)進(jìn)行降溫，基座(5)下表面設(shè)有窗口，窗口上安裝有透鏡蓋(13)，透鏡蓋(13)上鑲嵌有透鏡(12)將窗口覆蓋，第二激光器(14)發(fā)出的激光通過第二反射鏡(15)反射后從透鏡(12)下方垂直射入基座(5)內(nèi)、并穿過基座(5)內(nèi)部的氣流通道從實(shí)驗(yàn)樣品(3)的下方垂直照射到實(shí)驗(yàn)樣品(3)上。
2.按照權(quán)利要求1所述用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，其特征在于:所述噴管(4)被兩個壓條(8)壓緊固定在基座(5)的上表面。
3.按照權(quán)利要求1所述用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，其特征在于:所述噴管(4)側(cè)壁加工了一定傾角的通孔(401)，氣流通過噴管喉部時(shí)流場將不完全對稱，實(shí)驗(yàn)樣品(3)懸浮時(shí)，其旋轉(zhuǎn)軸與豎直軸存在一定傾角，激光加熱面積增加。
4.按照權(quán)利要求1所述用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，其特征在于:所述在線式氣體加熱器(7)將氣流溫度在20°C?120°C之間連續(xù)調(diào)節(jié)。
5.按照權(quán)利要求1所述用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，其特征在于:所述噴管基座(5)氣流通道內(nèi)壁和噴管(4)內(nèi)壁噴涂隔熱涂料。
6.按照權(quán)利要求1所述用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，其特征在于:所述基座(5)采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅合金制成。
7.按照權(quán)利要求1所述用于顆粒相變過程高溫輻射特性測量的氣動懸浮加熱裝置，其特征在于:所述透鏡片(12)為紫外級融石英鏡片，對355nm的紫外激光能實(shí)現(xiàn)很高的透過率。
【文檔編號】G05D23/00GK204256551SQ201420670282
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】唐佳東, 賀志宏, 董士奎 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)