用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关制造技术

本实用新型专利技术涉及一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关，包括：金属材质的冷端和热端；和非金属材质的中间支撑柱；所述的中间支撑柱为台阶柱状，其制冷机连接端柱台端面与所述冷端固定连接，所述中间支撑柱套装在冷端和热端中；所述热端与冷端之间设有间隙。具有选材广泛、间隙可调，冷端及热端的材料为高导热性的金属材料，中间支撑柱为膨胀系数大而导热系数小的非金属材料；不同材料搭配以及调整间隙大小，可满足实际工作中的常开、常闭、以及开／闭的需要；其间隙可调可满足与非运转的制冷机相连的永远处于所要求的断开状态，即工作中的单向性要求；而且结构小巧、成本低廉。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于制冷与低温
，特别涉及一种空间低温集成系统中用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关。
技术介绍
随着低温制冷机技术的发展，低温制冷机与被冷元件之间的耦合问题也越来越受到各相关领域专家们的重视。为了提高制冷系统的效能，这些耦合的元件必须被看成一个整体来研究而不是单个器件的简单组合，即称之为空间低温集成系统。合适的低温集成系统会提高制冷机的使用寿命和可靠性，降低制冷机振动、噪音、电磁干扰等对红外器件的影响，弥补制冷机的不足。目前，先进的低温集成系统研究已成为空间低温技术未来发展三个主要目标之一。由于空间应用的特殊性，要求低温制冷机高可靠性、寿命长，为达到此要求，一方面可以通过研制长寿命高可靠性的制冷机来达到目的；另一方面可以利用多台斯特林制冷机对同一被冷元件输出冷量来实现要求，其中后者是利用现有的制冷机，在正常工况下，使用其中的一个制冷机作为主机，另外的制冷机作为备份机。当主机出现故障时，使用备份机来制冷，以此来提高整个制冷系统的可靠性和寿命。同时这一方案又面临一个很现实的问题，如果将所有的制冷机与红外平台热连接，那么处于常温状态的备份机就会产生额外的热负载，减少了红外工作平台正常工作所需要的冷量。此问题可以通过一个类似于电路开关的热开关来解决。在每个制冷机和红外平台之间放置一个热开关，让热开关分别处于“开”和“关”两种状态以实现制冷机与红外平台连接和断开，从而减少非运转机上的额外负载，这是目前国际通用的方案。近几十年来，已发展了许多种用于空间的低温热开关，其原理不尽相同，主要有四种第一种为热双金属型热开关，热双金属是把两层金属牢固结合复合材料，所组成的复合材料的两层金属在一定的温度范围内具有不同程度的膨胀性，利用这种膨胀性的差异促使热开关实现导通与断开的功能；这种热开关温控性能较好，但结构复杂，但接触热阻很大。第二种为气隙式热开关，它利用两导热片之间的充气和抽气来使得整个热开关的两极之间的热导率有几个数量级的变化，实现热开关的闭合及断开功能；其主要特点是断开性能好，但需要加工一个0.01mm的间隙，以目前的工艺水平难度较大；同时因存在气体，要求装置密封性能优良；此种热开关主要用于极低温环境，与吸附式制冷机配合使用。第三种为空间双驱动热开关，利用形状记忆合金材料的形状记忆效应的特性进行设计，由于其结构要求严格对称，对加工精度要求很高，否则会导致开关性能不稳定。第四种为微膨胀型低温热开关，最先由斯韦尔空间实验室提出，利用两种不同材料的膨胀收缩率不同，实现热开关的闭合及断开动作。该种热开关无需密封装置，无工作流体，结构非常简单，仅由三部分组成冷端、热端、中间支撑柱；开始采用铍作冷端及热端的材料，不锈钢作中间支撑柱的材料，其开关总长度为75mm，直径50mm，但是间隙仅有0.05mm，增加了加工难度。为了改善其性能，改用高导热率的99.999％铝作冷端及热端的材料，低导热率、膨胀系数大的聚合物Ultem作中间支撑柱的材料，研制的开关总长度在58mm，但开关间隙仅为0.13mm，加工要求较高。
技术实现思路
为了克服现有的微膨胀型低温热开关间隙过小的不足，本技术提供了一种新型微膨胀型低温热开关间隙大且可根据实际需要调节大小、材料方便易得、易加工、结构小巧。本技术的技术方案为本技术提供的用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关，包括—金属材质的冷端1和热端2； —非金属材质的中间支撑柱3；所述中间支撑柱3为台阶柱状，其制冷机连接端柱台端面与所述冷端1固定连接；所述中间支撑柱3套装在冷端1和热端2中；所述热端2与冷端1之间设有间隙S。所述冷端1和热端2为方形柱体或圆形柱体。所述冷端1与中间支撑柱3之间可采用固定连接。所述用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关的工作温区为80K～300K。所述间隙S在0.15mm～0.40mm之间。使用时，本技术的低温热开置于低温制冷机与被冷却器件之间，用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的开关，如图1及图2所示，其结构如下热开关制冷机连接端直接与冷源(也称冷端1)连接，温度用T1表示；被冷却端也为热开关的热端2，温度用T2表示；冷端耦合段将冷端1与中间支撑柱3相连接；中间支撑柱3起闭合/断开热开关以及电绝缘的作用，其两端温度分别为T1、T2。开关闭合为ON态，开关断开为OFF态，闭合热阻为Ron，断开热阻为Roff。在实际工作中，主制冷机I1运转，低温热开关II1处于闭合状态，对被冷却元件III进行冷却，而备份制冷机I2处于非运转状态，低温热开关II2处于断开状态，将备份制冷机I2与被冷却元件III隔断。由于金属的导热系数大、热膨胀系数小、低磁化系数、实用、易加工，所以作为冷端及热端的材料，以提供优良的导热性能；而非金属因其大的膨胀系数、小的导热系数、高的弹性模数、高的应力，所以作为中间支撑柱的材料，提供大的间隙以及良好的断开性能。本技术的微膨胀型低温热开关工作在80K～300K温区，用液氮作冷源。当提供冷源进行冷却时，冷端及中间支撑柱的温度T1逐渐降低，两种材料同时开始收缩，但是中间支撑柱的收缩速度远大于冷端的收缩速度，所以冷端与热端的间隙逐渐减小，当间隙为零时，此微膨胀型热开关就达到闭合状态，热端温度T2会迅速降低，直到T1、T2达到平衡。闭合后中间支撑柱的收缩仍在继续，主要给所述的微膨胀型低温热开关提供合适的接触应力。本技术的微膨胀型低温热开关的间隙可以根据实际应用的不同要求调整大小，范围在0.15mm～0.40mm之间，低温热开关的总长度在20mm～40mm之间；材料的选择比较广泛，冷端及热端的材料可以采用高导热性的金属材料，中间支撑柱可以采用膨胀系数大而导热系数小的非金属材料；利用不同的材料搭配以及调整间隙大小，以满足实际工作中的具体要求，如常开型热开关、常闭型热开关、以及开/闭型热开关；并且间隙的设计能够满足在实际应用中，与非运转的制冷机相连接的所述微膨胀型低温热开关能永远处于所要求的断开状态，也就是满足工作中的单向性要求；同时所述的微膨胀型低温热开关其闭合温度在220K左右，闭合热阻在1.1K/W左右，断开热阻大于1410K/W；另外具有结构小巧、成本低的特点。附图说明图1是本技术的原理示意图。图2是本技术的结构示意图；其中主制冷机I1低温热开关II1间隙S备份制冷机I2 低温热开关II2被冷却元件III冷端1 热端2中间支撑柱具体实施方式以下结合附图及实施例进一步描述本技术。图1为本技术的结构示意图；由图可知，本技术提供的微膨胀型低温热开关装置，包括—金属材质的冷端1和热端2；—非金属材质的中间支撑柱3；所述中间支撑柱3为台阶柱状，其制冷机连接端柱台端面与所述冷端1固定连接；所述中间支撑柱3套装在冷端1和热端2中；所述热端2与冷端1之间设有间隙S。所述冷端1和热端2为方形柱体或圆形柱体。所述冷端1与中间支撑柱3之间可采用固定连接。所述用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关的工作温区为80K～300K。所述间隙S在0.15mm～0.40mm之间。正常工作时，主制冷机I1工作，对所述第一个热开关的冷端1提供冷源使温度降低，冷量传给与其固定连接的所述中间支撑柱3和所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关，其特征在于，包括：　　　　一金属材质的冷端（１）和热端（２）；　　　　一非金属材质的中间支撑柱（３）；　　　　所述中间支撑柱（３）为台阶柱状，其制冷机连接端柱台端面与所述冷端（１）固定连接，　　　　所述中间支撑柱（３）套装在冷端（１）和热端（２）中；所述热端（２）与冷端（１）之间设有间隙（Ｓ）。

【技术特征摘要】
1.一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关，其特征在于，包括一金属材质的冷端(1)和热端(2)；一非金属材质的中间支撑柱(3)；所述中间支撑柱(3)为台阶柱状，其制冷机连接端柱台端面与所述冷端(1)固定连接，所述中间支撑柱(3)套装在冷端(1)和热端(2)中；所述热端(2)与冷端(1)之间设有间隙(S)。2.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件之间的低温热开关，其特征在于，所述冷端(1)和热端(2)为方形柱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁惊涛，王美芬，闫涛，蔡京辉，杨鲁伟，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]