本发明涉及深海低温环境模拟装置，特别涉及一种双层筒式深海低温环境模拟装置。
背景技术：
6000米以下的深海被称为海斗深渊(hadaltrench)，是一个具有超高压力(最深处约110mpa)、低温(2℃-4℃)、无光及兼具独特海洋生态的极端条件深海区域。深海探测及运载装备在深海/深渊作业时，都要承受超高的海水静压和低温的考验。所以这些海洋装备在进入深海作业前，就需要经过专门的深海压力模拟装置进行结构耐压强度、疲劳强度等系列可靠性压力测试。目前我国传统的深海压力模拟装置已能够满足模拟深渊110mpa甚至更高压力需求，但是由于传统结构技术限制，我国在大容积大压力深海模拟装置(压力≥100mpa，内径≥1000mm)领域还尚未实现低温控制，这样就大大限制了深海压力模拟装置的运用范畴和深渊科学研究工作的进展。特别是在开展部分深海特殊材料或仪器有关实验，如我国在研的万米载人潜水器上用的固体浮力材料耐压实验，整个实验过程需要严格控制在低温条件下，否则可能会给试样性能造成不良影响。所以实现低温控制，是居于目前实际试验运用情况的迫切需求。
对于微小型或者工作压力较低筒壁相对较薄的深海高压模拟装置，现有技术一般都是通过在筒体外壁设置一个冷却夹套，再往冷却夹套注入冷却介质，冷却介质通过筒壁热传导将筒内环境热量带走达到冷却的效果。而大容积深海超高压模拟装置作为该领域未来主要发展趋势，采用这种外夹套式冷却的方式基本无法有效实现筒内低温控制。其中主要原因是目前大容积大压力的深海模拟装置的筒体都是采用单层一体式结构，这种结构的筒体由于要承载超高的径向力，筒壁厚度比较厚，如果采用传统的技术路线，已经无法实现筒内低温快速、有效控制。
技术实现要素：
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种可以快速实现深海高压模拟装置低温控制的双层筒式深海低温环境模拟装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种双层筒式深海低温环境模拟装置，包括筒体，所述筒体包括外套筒、内套筒、上法兰及下法兰，所述外套筒套设于所述内套筒上且所述外套筒与内套筒为同一两端开口的圆筒，所述外套筒及内套筒的两端分别与所述上法兰及下法兰固定连接，所述内套筒的外表面设有多条螺旋上升的螺纹，所述内套筒的螺纹牙顶表面与所述外套筒表面贴合以形成密封的冷却通道；
所述上法兰上设有冷却水进口，所述下法兰上设有冷却水出口，所述冷却水进口及冷却水出口分别与所述冷却通道两端连接；
所述冷却水进口及冷却水出口还连接有外部冷却系统，所述冷却水进口、所述冷却水出口、所述冷却通道及外部冷却系统形成冷却循环回路。
在一些较佳的实施例中，所述上法兰和下法兰上均设有法兰盘，所述法兰盘上设有若干螺纹孔，所述外套筒、所述内套筒、所述上法兰和上述下法兰通过所述螺纹孔与所述法兰盘固定连接。
在一些较佳的实施例中，所述筒体的上下两端的开口分别设有上端盖及下端盖，所述筒体两端与所述上端盖及下端盖密封连接，以使所述筒体内形成的密封腔体作为工作区。
在一些较佳的实施例中，所述下端盖还设有进入所述筒体内的传压介质进口。
在一些较佳的实施例中，所述筒体内还设有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述筒体内温度。
在一些较佳的实施例中，所述筒体还包括预应力钢丝层，所述预应力钢丝层设置于所述外套筒外表面。
在一些较佳的实施例中，所述预应力钢丝层的外表面设有蒙皮，所述外套筒的内表面以及所述预应力钢丝层与所述蒙皮间设有热绝缘层。
在一些较佳的实施例中，还包括框架，所述框架的上半圆梁及下半圆梁分别与所述筒体的上端盖与下端盖面贴合。
在一些较佳的实施例中，还包括底座，所述框架固定于所述底座上，所述底座设有导轨，所述框架可沿所述导轨移动。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的双层筒式深海低温环境模拟装置，包括筒体，所述筒体包括外套筒、内套筒、上法兰及下法兰，所述内套筒的外表面设有多条螺旋上升的螺纹，所述内套筒的螺纹牙顶表面与所述外套筒表面贴合以形成密封的冷却通道，所述上法兰上设有冷却水进口，所述下法兰上设有冷却水出口，所述冷却水进口及冷却水出口分别与所述冷却通道两端连接，所述冷却水进口及冷却水出口还连接有外部冷却系统，所述冷却水进口、所述冷却水出口、所述冷却通道及外部冷却系统形成冷却循环回路，本发明提供的双层筒式深海低温环境模拟装置将传统的单层一体式筒体结构拆分成两层，一层内套筒和一层外套筒，并将内套筒外表面的螺纹作为冷却通道，减小了冷源与筒内之间的间隔，提高了冷却速率和效果，确保筒内能够有效维持低温环境。
此外，本发明提供的双层筒式深海低温环境模拟装置，采用双层筒设计，由于内套筒壁比较薄，在大容积大压力条件下，不能直接承受较大压力，由于在双层筒外附加的预应力钢丝层施加的压预应力下，两个反向力量相互抵消，从而提高了内套筒的承压性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的深海低温环境模拟装置的立体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的双层式深海低温环境模拟装置的筒体结构示意图。
图3为本发明实施例提供的双层式深海低温环境模拟装置的筒体结构剖面图。
图4为本发明实施例提供的双层式深海低温环境模拟装置的筒体安装示意图。
图5为本发明实施例提供的双层式深海低温环境模拟装置的外部冷却系统工作原理图。
具体实施方式
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图4，为本发明提供了一种双层筒式深海低温环境模拟装置结构示意图，包括筒体1，所述筒体包括外套筒102、内套筒101、上法兰106及下法兰107。
所述外套筒102套设于所述内套筒101上且所述外套筒102与内套筒101为同一两端开口的圆筒，所述外套筒102及内套筒101的两端分别与所述上法兰106及下法兰107固定连接。
所述内套筒101的外表面设有多条螺旋上升的螺纹105，所述内套筒101的螺纹105牙顶表面与所述外套筒102表面贴合以形成密封的冷却通道。
在一些较佳的实施例中，所述的筒体1内径为1000mm，深度为2500mm；内套筒101筒壁厚度为60mm，外套筒102筒壁厚度为60mm；所述的内套筒101的螺纹105宽度为30mm，深度为15mm；本实施例提供的双层筒式深海低温环境模拟装置最高工作压力可达200mpa。
所述上法兰106上设有冷却水进口401，所述下法兰107上设有冷却水出口402，所述冷却水进口401及冷却水出口402分别与所述冷却通道两端连接。
所述冷却水进口401及冷却水出口402还连接有外部冷却系统，所述冷却水进口401、所述冷却水出口402、所述冷却通道及外部冷却系统，如图5示，形成冷却循环回路。
可以理解，外部冷却系统将设定温度的冷源从上法兰进口401注入到内套筒101的冷却通道，带有冷量的冷源经过内套筒101冷却通道将筒内热量带走，再从下法兰出口402排出到外部冷却系统冷却系统进行制冷处理，等待下轮冷却循环。
可以理解，外部冷却系统可以通过调节冷源温度和经过冷却通道的流量开度来控制内套筒101的环境的冷却速率。
请参阅图5，为双层筒式深海低温环境模拟装置的具体的冷却控制策略如下：
冷却水通过补水装置507维持水罐506液位，水罐506中压力稳定的水通过冷水水泵501增压后进入高压管路，再通过筒内温度计反馈信号，plc控制器503判断增压后的水是否进入冷水机组502冷却。冷水机组502入口的电磁阀mv-3、mv-4控制进入冷水机组502水流量。经冷水机组502冷却后带有冷量的水进入筒体的螺旋冷却通道105，将工作时筒内产生的热量带走，随后进入水罐506开始下一个冷却循环。其中，plc控制器503通过采集到的温度信号控制电磁阀开度实现温度基本控制。
当外部冷却管路中冷却水温度高于设定温度，冷却系统预先进行冷却管路中循环水冷却控制：打开电磁阀mv-1mv-2mv-3mv-4mv-6，关闭mv-5，启动水泵501及冷水机组502，进行冷却管路循环水冷却，循环水不经过筒内冷却通道105直接进入水罐506进行循环冷却；当循环水温度降到设定温度，启动筒内冷却控制：打开电磁阀mv-5，关闭mv-6，循环水经过筒内冷却通道105开始对筒内进行冷却工作。
在一些较佳的实施例中，所述上法兰106和下法兰107上均设有法兰盘108，所述法兰盘108上设有若干螺纹孔，所述外套筒102、所述内套筒101、所述上法兰106和上述下法兰107通过所述螺纹孔配合螺杆与所述法兰盘108固定连接。
在一些较佳的实施例中，所述上法兰106和下法兰107上还设置有用于对所述筒体1进行定位的定位圆环112。
在一些较佳的实施例中，所述筒体1的上下两端的开口分别设有上端盖109及下端盖110，所述筒体1两端与所述上端盖109及下端盖110密封连接，以使所述筒体1内形成的密封腔体作为工作区。
具体地，在筒体1上下两端开口内周面和上端盖109及下端盖110的外周面都设有密封圈结构，上端盖109及下端盖110与筒体形成密封腔体。
可以理解，上端盖109及下端盖110分别设有独立的启闭装置，可以实现自动上端盖109及下端盖110开启和闭合功能。当工作状态时，上端盖109及下端盖110都处于闭合状态，当实验完成只需开启上端盖109即可取出实验样品，下端盖110还设有进入筒内的传压介质进口403。
在一些较佳的实施例中，所述筒体1内还设有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述筒体1内温度。
在一些较佳的实施例中，所述筒体1还包括预应力钢丝层103，所述预应力钢丝层103设置于所述外套筒102外表面。
可以理解，在所述预应力钢丝层103的作用下，一方面是可将外套筒102与内套筒101更好预紧贴合成一个整体；另一方面，由于内套筒壁101比较薄，在大容积大压力条件下，不能直接承受较大压力，由于在双层筒外附加的预应力钢丝层103施加的压预应力下，两个反向力量相互抵消，从而提高了内套筒101的承压性能，这样内套筒101即使是在承受筒内最大工作径向压力时，也保持压应力状态，这可以大大提高内套筒101承压能力，确保双层式筒体结构能够满足超高压力的工作需求。
在一些较佳的实施例中，所述预应力钢丝层103的外表面设有蒙皮104，所述外套筒102的内表面以及所述预应力钢丝层103与所述蒙皮104间设有热绝缘层，以阻止外界热量进入筒内低温环境。
在一些较佳的实施例中，本发明提供的双层筒式深海低温环境模拟装置还包括用于固定所述筒体1的框架2，所述筒体1固定安装于所述框架2内。
在一些较佳的实施例中，本发明提供的双层筒式深海低温环境模拟装置还包括底座3，所述框架2固定于所述底座3上，所述底座3设有导轨，所述框架可沿所述导轨移动。
可以理解，所述的框架2作为深海高压模拟装置处于工作状态时轴向力的承压结构，框架2可在轨道上移动，工作时框架2移至预设位置，框架2的上半圆梁及下半圆梁分别与筒体1上端盖与下端盖面贴合，框架2将承受由筒内传递过来的轴向超高压力。
本发明上述实施例提供的双层筒式深海低温环境模拟装置，工作方式如下：
(1)外部增压器将工作传压介质水(海水或者淡水)从下端盖110设有的传压介质进口403进入内套筒101，内套筒101达到预设压力开始进入耐压实验阶段；
(2)当内套筒101温度高于预设温度时，设置在内套筒101的温度传感器将信号反馈于外部冷却系统的控制器503，启动冷却工作；
(3)外部冷却系统将设定温度的冷源(低温冷却水)从上法兰进口401注入到内套筒的冷却通道105，带有冷量的冷却水经过内套筒101冷却通道将筒内热量带走，再从下法兰出口402排出到外部冷却系统进行制冷处理，等待下轮冷却循环；
(4)当筒内温度冷却到预设温度时，外部冷却系统自动停止工作。外部冷却系统可以通过调节冷却水温度和冷却通道的流量来控制内套筒101环境的冷却速率。
可以理解，为了防止冷却水在0℃以下出现结冰可能造成冷却循环管路出现堵塞等问题，可以在工作传压介质冷却水中添入乙二醇。
本发明提供的双层筒式深海低温环境模拟装置将传统的单层一体式筒体结构拆分成两层，一层内套筒和一层外套筒，并将内套筒外表面的螺纹作为冷却通道，减小了冷源与筒内之间的间隔，提高了冷却速率和效果，确保筒内能够有效维持低温环境。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
当然本发明的双层筒式深海低温环境模拟装置正极材料还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
1.一种双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，包括筒体，所述筒体包括外套筒、内套筒、上法兰及下法兰，所述外套筒套设于所述内套筒上且所述外套筒与内套筒为同一两端开口的圆筒，所述外套筒及内套筒的两端分别与所述上法兰及下法兰固定连接，所述内套筒的外表面设有多条螺旋上升的螺纹，所述内套筒的螺纹牙顶表面与所述外套筒表面贴合以形成密封的冷却通道；
所述上法兰上设有冷却水进口，所述下法兰上设有冷却水出口，所述冷却水进口及冷却水出口分别与所述冷却通道两端连接；
所述冷却水进口及冷却水出口还连接有外部冷却系统，所述冷却水进口、所述冷却水出口、所述冷却通道及外部冷却系统形成冷却循环回路。
2.如权利要求1所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，所述上法兰和下法兰上均设有法兰盘，所述法兰盘上设有若干螺纹孔，所述外套筒、所述内套筒、所述上法兰和上述下法兰通过所述螺纹孔与所述法兰盘固定连接。
3.如权利要求1所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，所述筒体的上下两端的开口分别设有上端盖及下端盖，所述筒体两端与所述上端盖及下端盖密封连接，以使所述筒体内形成的密封腔体作为工作区。
4.如权利要求3所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，所述下端盖还设有进入所述筒体内的传压介质进口。
5.如权利要求1所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，所述筒体内还设有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述筒体内温度。
6.如权利要求1所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，所述筒体还包括预应力钢丝层，所述预应力钢丝层设置于所述外套筒外表面。
7.如权利要求6所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，所述预应力钢丝层的外表面设有蒙皮，所述外套筒的内表面以及所述预应力钢丝层与所述蒙皮间设有热绝缘层。
8.如权利要求1所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，还包括框架，所述框架的上半圆梁及下半圆梁分别与所述筒体的上端盖与下端盖面贴合。
9.如权利要求8所述的双层筒式深海低温环境模拟装置，其特征在于，还包括底座，所述框架固定于所述底座上，所述底座设有导轨，所述框架可沿所述导轨移动。
技术总结