用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统

1.本发明涉及原位实验仪设备技术领域，具体涉及一种用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统。


背景技术：

2.基于ct扫描技术的多场耦合原位实验仪可以给样品施加轴压、围压及孔压以控制样品受力状态，通过控制进出口孔压/流量测量样品渗流特性，调控样品温度，并利用ct成像技术分析样品应变及形状变化，从而分析样品的力学、渗流和其他物理性质。
3.然而目前的原位实验仪有些环流结构和围压分开设置，设计复杂且影响ct扫描的图像质量；有些缺少环流结构，存在温度控制困难的问题，导致样品内部温度不均匀性大，严重影响数据可信度，同时具有环流结构的原位实验仪在ct扫描中样品需要旋转360度，接头和管道需要经受扭转作用力及承受变形。
4.因此，亟待开发一种能够精准控制样品温度的围压温控一体系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统。
6.为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统包括中空设置的压力室，还包括用于对压力室提供围压的围压循环系统和用于对围压循环系统中的围压液实现温度控制的温控系统；
7.压力室内设有样品套，该样品套与压力室内壁之间设有导流管，通过该导流管将压力室内样品套之外的空间进一步分为内腔和外腔；
8.围压循环系统包括与压力室底部连接的底座、设于该底座上的离心泵及与该离心泵连通的围压循环管路，围压循环管路从底座出发依次经过导流管内腔和导流管外腔，再回到离心泵，以配合温控系统实现对样品套内的样品温度进行精准控制，同时对样品套施加围压；
9.底座上还设有与围压循环管路通过高压管连通的接头，以使得能够通过接头接入高压围压液给围压循环管路提供30mpa的高围压；
10.温控系统，该温控系统设于底座上，且该温控系统包括主动温控组件和水温温控组件；主动温控组件通电能够对底座内的围压循环管路实现加热和冷却操作；水温温控组件通过通入低压冷却液能够对围压循环管路实现加热和冷却操作。
11.工作原理及有益效果：1、与现有技术相比，本技术通过围压循环系统和温控系统的结合，可以实现对围压液温度的精确控制，而且不需要在压力室上设置接头，如此进一步减小了压力室外径，使得x射线源和接收器可以距离样品很近，从而提高了图像质量；
12.2、现有技术的围压循环系统存在增加系统复杂度以及ct扫描中的高压系统失效风险，因为ct扫描中样品需要旋转360度，接头和管道需要经受扭转作用力及承受变形。而
本技术将围压循环系统的管路设置于压力室等部件的内部，如此就不存在变形问题，结构紧凑，同时能够减少接头数量，提高能量利用效率，且围压管线周围不需要保温措施，提供围压的高压泵可以设置在ct扫描室之外，避免x射线对电子设备造成的损伤。
13.进一步地，压力室的上下两端分别通过卡扣件连接压力室上盖和压力室下盖，压力室下盖底部连接底座，以使得围压循环管路能够连通压力室。
14.此设置，相比传统通过法兰连接的方式，能够保证压力室和压力室上下盖的外径一致，不会因为卡扣件部分导致外径增大，从而在保证耐压强度基础上减小了压力室外径，使得ct发射器和接收器可以距离样品很近，极大减少ct扫描时长并增大了图像分辨率，使空间分辨率可达到亚微米级别，从而提高了图像质量，提高x射线能量利用率，还可减少x射线衍射造成的伪影。
15.进一步地，围压循环管路包括设于压力室下盖内的上流管和下流管及设于导流管内的内外分流室，内外分流室上设有多个分别与导流管内外部连通的分流孔，上流管通过内分流室及分流孔连通导流管的内部，导流管的内部通过设于该导流管上的上端孔连通导流管的外部，并通过分流孔连接外分流室，再与下流管连通。
16.此设置，围压液从上流管流入内分流室，经过分流孔进入导流管内腔腔体，后通过导流管上端孔进入导流管外腔腔体，通过外分流室进入下流管，实现了围压液上环流。
17.进一步地，围压循环管路还包括设于底座内的连接管路，该连接管路分别连通高压管和离心泵，且该连接管路一端连通上流管，另一端连通下流管。
18.进一步地，主动温控组件包括设于底座上的热交换板、设于该热交换板与底座之间的帕尔贴板，通过对该帕尔贴板通电实现对位于底座内的围压循环管路进行冷却或加热。
19.此设置，通过帕尔贴板可以对底座内的围压循环管路进行主动冷却或加热，由于帕尔贴板可以通过翻面或者电流方向调节的方式供冷或者供热，因此可以非常方便地控制围压循环管路中循环液的温度。如此可做到将温度控制在[-10,60]摄氏度之间。
[0020]
进一步地，水温温控组件包括冷却液循环管路，该冷却液循环管路设于底座和压力室下盖内，且该底座上设有与冷却液循环管路连通的外循环入液管和外循环出液管。
[0021]
此设置，通过冷却液循环管路来进一步进行冷却或加热操作，如此低压冷却液会给围压冷却液降或升温，冷却液外循环系统则为围压冷却液制冷或制热起辅助作用。如此结合主动冷却和水冷，可极大地提升本实验仪的温度控制效果，从而实现对样品环境的精准控制。
[0022]
进一步地，位于压力室下盖内的冷却液循环管路与围压循环管路平行，且冷却液循环管路内的冷却液流向与围压循环管路内的围压液流向相反。
[0023]
此设置，可进一步提升对于围压液的辅助冷却或辅助加热效果。
[0024]
进一步地，底座上设有供压力室下盖安装的安装槽，且该安装槽内设有底座密封垫，底座和压力室下盖的连接处设有双层密封圈。
[0025]
此设置，可将压力室下盖方便地安装在底座上，同时由于压力室下盖的沉孔和卡扣件设置，导致连接件和卡扣件不会凸出于压力室下盖，因此可以减少与底座的干涉，显著提高空间利用率，结构紧凑。
[0026]
进一步地，压力室与压力室上盖之间以及压力室与压力室下盖之间均设有密封
圈。
[0027]
进一步地，离心泵包括与底座连接的离心泵外壳、与该离心泵外壳底部连接的离心泵底托、设于该底托和该离心泵外壳内的离心泵定子、设于该离心泵定子内的转子光轴及设于该转子光轴上的转子，转子光轴通过转子垫片和离心泵入液口的中心孔支撑，该离心泵入液口与围压循环管路连通。
[0028]
此设置，定子与转子隔离的设计可以避免定子中的复杂电路接触高压，保证离心泵的稳定性。
附图说明
[0029]
图1是本发明的结构示意图；
[0030]
图2是本发明的后视图；
[0031]
图3是图1中离心泵的局部放大图；
[0032]
图4是压力室与压力室上盖以及压力室下盖的连接关系图；
[0033]
图5是分流室的示意图；
[0034]
图6是压力室与压力室上盖以及压力室下盖的内部结构图；
[0035]
图7是冷却液循环管路的结构示意图；
[0036]
图8是分流室的内部结构示意图。
[0037]
图中，1、驱动器；2、电机连接轴套；3、压力传感器；4、传感器垫片；5、轴压传动轴；6、上孔压管；7、压力室上盖；8、卡扣件；9、压力室；10、导流管；11、样品套；12、下孔压管；13、压力室下盖；14、底座；15、转子光轴；16、转子叶片；17、转子磁铁；18、转子底座；19、转子垫片；20、离心泵外壳；21、离心泵定子；22、离心泵底托；23、接头；24、帕尔贴板；25、热交换板；26、底座密封垫；27、连接件；28、扣槽；29、沉孔；281、第一扣槽；282、第二扣槽；131、上流管；132、下流管；133、冷却液循环管路；101、上端孔；102、内腔；103、外腔；104、分流室；105、分流孔；141、离心泵入液口；142、离心泵出液口；143、连接管路；144、高压管；145、外循环入液管；146、外循环出液管。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
[0040]
如图1-2所示，本用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统包括中空设置的压力室9，该压力室9的上下两端分别通过卡扣件8连接压力室上盖7和压力室下盖13；
[0041]
具体地，如图4所示，压力室9、压力室上盖7及压力室下盖13上均设有供卡扣件8扣
入的扣槽28，且压力室上盖7和压力室下盖13上均设有与固定孔配合的通孔，以使得能够通过连接件27依次插入通孔和固定孔，以固定压力室9和压力室上盖7以及压力室9和压力室下盖13，扣槽28包括位于压力室9的第一扣槽281和位于压力室上盖7和压力室下盖13的第二扣槽282，第一扣槽281小于第二扣槽282，第一扣槽281远离压力室9中心一端的截面宽度尺寸小于第一扣槽281另一端的截面宽度尺寸，第二扣槽282靠近压力室9一端的截面宽度尺寸小于第二扣槽282的另一端的截面宽度尺寸，压力室上盖7和压力室下盖13上均设有供连接件27插入的沉孔29，当连接件27完全插入沉孔29时，连接件27的顶部位于该沉孔29顶部表面的下方或平齐，且该连接件27外边缘与压力室上盖7和压力室下盖13的边缘平齐或位于压力室上盖7和压力室下盖13的边缘内侧。
[0042]
具体地，样品套11设于压力室9内部，样品套11上端套在压力室上盖7轴压传动轴5上，轴压传动轴5内设有孔压管路，样品套11下端套在压力室下盖13顶部凸起的中轴上，且该中轴内部设有孔压管路，上下孔压管路于样品套11内部连通。其中孔压管路为围压循环管路的一部分。
[0043]
在本实施例中，轴压传动轴5与压力室上盖7的内孔间隙配合，并用o型圈密封。孔压管路的上孔压管6插入轴压传动轴5的内孔，并用o型圈密封。上孔压管6的底部与轴压传动轴5的底部相接触。孔压管路的下孔压管12插入压力室下盖13的内孔，并用o型圈密封。下孔压管12的底部与压力室下盖13的顶部相接触。样品套11内壁套住上下孔压管12的底部及样品。如此能够施加轴压和孔压，通过驱动器1推动压力传感器3和轴压传动轴5对样品套11内的样品施加轴向压力，而通过孔压管路可以通入高压流体实现孔压操作，如此当做渗流实验时，可控制上下两个孔压管路的孔压压差或者渗流边界，就能让高压流体在样品里面渗流，可以测量多孔介质样品的渗透率及多相流渗透率。
[0044]
具体地，如图2所示，驱动器1通过电机连接轴套2连接压力室上盖7，该电机连接轴套2内设有设于轴压传动轴5顶部的压力传感器3，且驱动器1能够驱动压力传感器3和轴压传动轴5向下运动以实现对样品套11内样品的轴压施加，位于轴压传动轴5一端的孔压管路从连接轴套穿出。
[0045]
在本实施例中，驱动器1为推杆式直线步进电机，与电机连接轴套2通过法兰连接紧固，电机连接轴套2与压力室上盖7通过法兰连接紧固。压力传感器3搭在传感器垫片4上。传感器垫片4搭在轴压传动轴5上。轴压传动轴5与压力室上盖7的内孔间隙配合，并用o型圈密封。
[0046]
由于x射线源和接收器主要是针对压力室9，因此除了压力室9其他部分的连接只要不超出压力室9的外径，都不会影响x射线源和接收器与压力室9之间的距离，也不存在影响图像质量的情况。而且如图1所示，实际上其他部分通过法兰连接也并未超过压力室9的外径。
[0047]
具体地，底座14连接压力室下盖13底部，底座14上设有供压力室下盖13安装的安装槽，且该安装槽内设有底座密封垫26，底座14和压力室下盖13的连接处设有双层密封圈；底座14上还设有与围压循环管路通过高压管144连通的接头23，以使得能够通过接头23接入高压围压液给围压循环管路提供高围压。
[0048]
在本实施例中，压力室下盖13与底座14通过法兰连接紧固，并通过双层o型圈密封。压力室下盖13底端与底座14之间放入底座密封垫26。底座14与接头23通过螺丝紧固。底
座14与热交换板25通过螺丝紧固，帕尔贴板24夹在底座14和热交换板25之中。
[0049]
具体地，如图1以及图5-6所示，围压循环系统包括设于底座14上的离心泵、与该离心泵连通的围压循环管路以及设于该样品套11和压力室9之间的导流管10，围压循环管路从底座14出发依次经过压力室下盖13、导流管10内腔102、导流管10外腔103，再从压力室下盖13回到底座14的离心泵，以配合温控系统实现对样品套11内的样品温度进行精准控制，同时对样品套11施加高达30mpa的围压。
[0050]
其中，如图8所示，围压循环管路包括设于压力室下盖13内的上流管131和下流管132以及设于导流管10内的内外分流室104-1和104-2，内外分流室104-1和104-2上设有多个分别与导流管内外腔102和103连通的分流孔105-1和105-2，上流管131通过内分流室104-1及分流孔105-1连通导流管内腔102，导流管10内腔102通过设于该导流管10上的上端孔101连通导流管外腔103并通过分流孔105-2连接外分流室104-2，再与下流管132连通，围压循环管路还包括设于底座14内的连接管路143，该连接管路143分别连通高压管144和离心泵，且该连接管路143一端连通上流管131，另一端连通下流管132。在本实施例中，高压的围压液通过接头23流入底座14高压管144，进入流入围压循环管路中，给围压液提供高围压，围压液在离心泵作用下从上流管131流入内分流室104-1，经过分流孔105-1进入导流管10内腔102，后通过导流管10的上端孔101进入导流管10外腔103，通过分流孔105-2及外分流室104-2进入下流管132，实现了围压液上环流，而围压液通过下流管132流入底座14内的离心泵入液口141，从底座14内的离心泵出液口142流出后进入底座14内的冷却水盘管，该冷却水盘管为连接管路143的一部分，目的是在于与温控系统配合实现热交换。
[0051]
在本实施例中，如图3所示，离心泵外壳20与底座14通过法兰连接紧固，o型圈密封。离心泵底托22与离心泵外壳20通过法兰连接紧固。在离心泵外壳20和离心泵底托22之中的空腔中放入离心泵定子21。转子垫片19放入离心泵外壳20内孔底部。转子垫片19与底座14离心泵入液口141的中央孔共同固定转子光轴15。转子叶片16、转子磁铁17和转子底座18共同组成离心泵转子，围绕转子光轴15旋转。离心泵定子21通电后，由转子叶片16、转子磁铁17和转子底座18组成的离心泵转子开始旋转，转子叶片16旋转后产生离心力效应，将围压液从离心泵入液口141吸入空腔并从离心泵出液口142排出。这种定子与转子隔离的设计可以避免定子中的复杂电路接触高压，保证离心泵的稳定性。
[0052]
具体地，温控系统设于底座14上，用于对围压循环系统中的围压液实现温度控制。
[0053]
其中，如图7所示，主动温控组件包括设于底座14上的热交换板25、设于该热交换板25与底座14之间的帕尔贴板24，通过该帕尔贴板24实现对位于底座14内的围压循环管路进行冷却或加热，通过帕尔贴板24可以对底座14内的围压循环管路进行主动冷却或加热，由于帕尔贴板24可以通过翻面或者电流方向调节的方式供冷或者供热，因此可以非常方便地控制围压循环管路中循环液的温度。
[0054]
其中，如图7所示，水温温控组件包括冷却液循环管路133，该冷却液循环管路133设于底座14、压力室下盖13以及压力室9内，且该底座14上设有与冷却液循环管路133连通的外循环入液管145和外循环出液管146，通过冷却液循环管路133来进一步进行冷却或加热操作，如此低压冷却液会给围压冷却液降温或升温，冷却液外循环系统则为围压冷却液制冷起辅助作用。当然冷却液循环管路133可以根据需求通入温度低的冷却液或温度高的冷却液来进行冷却或加热操作。如此结合主动冷却和水冷，可极大地提升本实验仪的温度
控制效果，从而实现对样品环境的精准控制。
[0055]
在本实施例中，低压冷却液从外循环入液管145进入，流入冷却液循环管路133中，后通过外循环出液管146流出。冷却液循环管路133的部分与上流管131和下流管132平行，低压冷却液与围压液流向相反，这样低压冷却液会给围压液降温或升温，冷却液外循环系统则为围压液制冷或制热起辅助作用。
[0056]
如此可做到将温度控制在[-10,60]摄氏度之间，这个温度范围主要受压力室材料的强度特性影响，温度过低材料变脆，温度过高材料强度下降，变换压力室材料或者对压力室承压需求的情况下这个温度范围可以进一步扩大。
[0057]
如此，通过围压循环系统和温控系统的结合，可以实现对围压液温度的精确控制，而且不需要在压力室9上设置接头23，如此进一步减小了压力室9外径，使得x射线源和接收器可以距离样品很近，从而提高了图像质量，也不存在变形问题，结构紧凑，同时能够减少接头数量，提高能量利用效率，且围压管线周围不需要保温措施，提供围压的高压泵可以设置在ct扫描室之外，避免x射线对电子设备造成的损伤。
[0058]
本发明的温度控制范围不应该做为本发明的限制。
[0059]
本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。
[0060]
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
[0061]
尽管本文较多地使用了专业术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0062]
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本技术相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，包括中空设置的压力室，其特征在于，还包括用于对压力室提供围压的围压循环系统和用于对所述围压循环系统中的围压液实现温度控制的温控系统；所述压力室内设有样品套，该样品套与所述压力室内壁之间设有导流管，通过该导流管将所述压力室内所述样品套之外的空间进一步分为内腔和外腔；所述围压循环系统包括与所述压力室底部连接的底座、设于该底座上的离心泵及与该离心泵连通的围压循环管路，所述围压循环管路从所述底座出发依次经过导流管内腔和导流管外腔，再回到所述离心泵，以配合所述温控系统实现对所述样品套内的样品温度进行精准控制，同时对所述样品套施加围压；所述底座上还设有与所述围压循环管路通过高压管连通的接头，以使得能够通过所述接头接入高压围压液给所述围压循环管路提供30mpa的高围压；所述温控系统，该温控系统设于所述底座上，且该温控系统包括主动温控组件和水温温控组件；所述主动温控组件通电能够对所述底座内的围压循环管路实现加热和冷却操作；所述水温温控组件通过通入低压冷却液能够对所述围压循环管路实现加热和冷却操作。2.根据权利要求1所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，所述压力室的上下两端分别通过卡扣件连接压力室上盖和压力室下盖，所述压力室下盖底部连接所述底座，以使得所述围压循环管路能够连通所述压力室。3.根据权利要求2所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，所述围压循环管路包括设于所述压力室下盖内的上流管和下流管及设于所述导流管内的内外分流室，内外分流室上设有多个分别与所述导流管内外腔连通的分流孔，所述上流管通过所述内分流室及所述分流孔连通所述导流管内腔，所述导流管的内腔通过设于该导流管上的上端孔连通所述导流管外腔，并通过分流孔连接外分流室，再与所述下流管连通。4.根据权利要求3所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，所述围压循环管路还包括设于所述底座内的连接管路，该连接管路分别连通所述高压管和所述离心泵，且该连接管路一端连通所述上流管，另一端连通所述下流管。5.根据权利要求1所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，所述主动温控组件包括设于所述底座上的热交换板、设于该热交换板与所述底座之间的帕尔贴板，通过对该帕尔贴板通电实现对位于所述底座内的围压循环管路进行冷却或加热。6.根据权利要求2所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，所述水温温控组件包括冷却液循环管路，该冷却液循环管路设于所述底座和所述压力室下盖内，且该所述底座上设有与所述冷却液循环管路连通的外循环入液管和外循环出液管。7.根据权利要求6所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，位于所述压力室下盖内的所述冷却液循环管路与所述围压循环管路平行，且所述冷却液循环管路内的冷却液流向与所述围压循环管路内的围压液流向相反。8.根据权利要求2所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，所述底座上设有供所述压力室下盖安装的安装槽，且该安装槽内设有底座密封垫，所述底座和所述压力室下盖的连接处设有双层密封圈。9.根据权利要求8所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，
所述压力室与所述压力室上盖之间以及所述压力室与所述压力室下盖之间均设有密封圈。10.根据权利要求1-9任意一项所述的用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，其特征在于，所述离心泵包括与所述底座连接的离心泵外壳、与该离心泵外壳底部连接的离心泵底托、设于该底托和该离心泵外壳内的离心泵定子、设于该离心泵定子内的转子光轴及设于该转子光轴上的转子，所述转子光轴通过转子垫片和离心泵入液口的中心孔支撑，该离心泵入液口与所述围压循环管路连通。

技术总结
本发明涉及用于多场耦合原位实验仪的围压温控一体系统，该方案包括中空设置的压力室、围压循环系统及温控系统；压力室内设有样品套，该样品套与压力室内壁之间设有导流管，通过该导流管将压力室内样品套之外的空间进一步分为内腔和外腔；围压循环系统包括与压力室底部连接的底座、设于该底座上的离心泵及与该离心泵连通的围压循环管路，围压循环管路从底座出发依次经过导流管内腔和导流管外腔，再回到离心泵；底座上还设有与围压循环管路通过高压管连通的接头；温控系统设于底座上，且该温控系统包括主动温控组件和水温温控组件。本申请通过围压循环系统和温控系统的结合，可以实现对围压液温度的精确控制。实现对围压液温度的精确控制。实现对围压液温度的精确控制。


技术研发人员：雷亮 姜英博
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/25