CN104241020A - 用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，包括：分别与制冷机冷头和被冷元件连接的金属材质的冷端和热端；将冷端和热端固定连接的陶瓷材质的固定筒；和冷端接触的收缩杆；负责热开关断开和闭合的圆柱接触块；金属材质的杠杆和配套的陶瓷支撑；有收缩预紧力的弹性导热带。通过热膨胀系数大的收缩杆的收缩和恢复使杠杆产生位移，实现圆柱接触块和冷端的接触和分离。不同的材料选择及杠杆比例可以方便调整间隙大小，可满足实际工作中的常开、常闭、以及开/闭的需要；单向性好、反应灵敏、结构小巧、成本低廉。

Description

用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关

技术领域

本发明属于制冷与低温技术领域，特别涉及一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关。

背景技术

低温制冷机因为其冷量大和体积小，作为红外遥感仪器的空间制冷器越来越受到重视。但随着空间现代热成像技术、红外探测-跟踪-搜索系统的发展，特别是军事上的广泛应用，对空间机械制冷技术提出了越来越高的要求，最迫切的要求是工作寿命更长、可靠性更高、制冷量更大。为了满足这一空间要求，除了不断研制高性能的机械制冷机外，可以利用多台机械制冷机互为备份对同一红外平台输出冷量。由于多台制冷机通常并不同时运转，而备用的非运转的制冷机会引入额外热负荷，这就提高了运转制冷机的冷量要求。引入低温热开关来实现制冷机与红外平台的连接与断开，以减少非运转机上的额外负载，是提高系统效能的有效办法，也是国际上通用的方案。热开关的引入使得多台廉价制冷机的集成成为一个可选方案。

根据热阻变化的原理，热开关分为（1）接触式，其中包括双金属型，微膨胀型，形状记忆合金等等；（2）气隙液隙式，原理为通过两导热片之间的充气和抽气使热导率发生几个数量级的变化；（3）场致效应式，利用超导体加磁场或液晶材料加电场改变热导率；（4）热管式，闭合状态时，蒸发段气体去冷凝段冷凝，换热后在毛细管的作用下返回蒸发段完成循环，当冷凝段温度升高，气体无法冷凝时实现断开。在以上几种热开关，值得一提的是微膨胀型低温热开关，它是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。和其他类型的热开关相比，微膨胀型热开关无需密封装置，无工作流体，结构非常简单，仅由冷端、热端、膨胀部件三部分组成，得到广泛的研制应用。国内外都曾成功研制出成熟的产品。例如中科院理化所研制出开关间隙为0.15mm，闭合热阻为0.87K/W的第一代热开关，开关间隙为0.20mm，闭合热阻为5K/W的第二代热开关。美国斯维尔空间实验室研制出开关间隙为0.1mm，闭合热阻0.28K/W（冷端60K）的热开关。以上的设计都有着共同的缺点，都因为开关间隙过小，对加工工艺的要求较高，装配时也会因为偏差造成冷热端的直接接触，影响热开关的性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，该低温热开关间隙较大且可根据实际需要通过调节杠杆的比例调节间隙，闭合时接触压力更大，接触热阻小，材料的选择多，结构简单易加工。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，包括：

—金属材质的冷端1和热端8；

—陶瓷材质的固定筒2；

—金属材质的收缩杆3；

—连接冷端1和圆柱接触块7的导热带4；

—金属材质的杠杆5；

—陶瓷材质的杠杆支撑6；

所述冷端1和热端8之间通过固定筒2连接在一起；

所述收缩杆3、导热带4、杠杆5、杠杆支撑6和圆柱接触块7位于固定筒2之内；

所述圆柱接触块7与热端8之间有一间隙9；

所述收缩杆3、杠杆5和杠杆支撑6组成一个膨胀部件；

所述膨胀部件的数量大于等于2，呈圆周分布在固定筒2内；

所述收缩杆3一端固定在冷端1上，另一端与杠杆5的一端活动连接，所述杠杆5的另一端放置在圆柱接触块7上；所述杠杆5的中间部分与杠杆支撑6的一端活动连接，所述杠杆支撑6的另一端固定在固定筒2的内壁上。

优选地，所述膨胀部件的数量为3。

所述收缩杆3为细长的圆柱结构，材质为铜，也可以采用热膨胀系数大于铜的金属。

所述导热带4有弹性，导热带4收缩使得接触块7和杠杆5接触固定。

所述杠杆5中间部分与杠杆支撑6的连接点将杠杆5分为两段，所述靠近收缩杆3的一段与靠近圆柱接触块7的一段的比值为1:3～1:5，优选地，所述比值为1:3。

所述间隙9的大小可以通过调节杠杆5上两段比例的大小进行调节。

所述杠杆支撑6与杠杆5配套，且和固定筒2是一体的。

所述低温热开关的工作温区为80K～300k。

所述间隙9的尺寸大于等于0.5mm。

所述活动连接采用销连接，也可以选用其他的活动连接，比如球连接等。

所述杠杆支撑6为L型，也可以是其他形状，只要满足能固定在固定筒壁上，并且起到支撑杠杆的作用即可。

所述固定筒2的壁面上还可以设置若干的镂空，用于减少壁面的面积，从而减少冷热端的热传递。

使用时，本发明的低温热开关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，其结构如下，与制冷机冷头直接连接的冷端，与被冷却元件直接连接的热端，两端之间由陶瓷材质的固定筒连接起来，筒内有收缩杆、杠杆、陶瓷材质的杠杆支撑组成的膨胀部件，导热带和圆柱接触块在闭合状态时起到导热的作用。当圆柱接触块与热端接触时，低温热开关闭合为ON态；当圆柱接触块与热端分离时，低温热开关断开为OFF态。

由于金属的导热系数大、低磁化系数、实用、易加工，所以作为冷端、热端及圆柱接触的材料，以提供优良的导热性能；而陶瓷材料的导热系数小，高弹性模量，低热膨胀系数使其作为冷热端的连接材料正合适。收缩杆要求其热膨胀系数较大，若选用非金属材料能满足这一要求，但强度不够不能使其满足反复开关、长寿命的要求；且热导率较低，使热开关的反应不够灵敏。综上，收缩杆的材料选取金属中膨胀系数较大的材质即可，引入杠杆后，对热膨胀系数的要求不再苛刻。

本发明的杠杆式低温热开关工作在80K～300K温区，用制冷机作冷源。当制冷机开启时，制冷机的冷头温度逐渐降低，冷端温度T1及收缩杆的温度也随之降低，收缩杆开始收缩，杠杆发生倾斜，杠杆对圆柱接触块施加的力大于导热带的收缩力，使接触块发生向下的位移与热端接触，开关处于闭合的状态。接触后，收缩杆的长度不再缩短，但内部的应力会越来越大，通过杠杆作用到圆柱接触块上，使得其与热端的接触应力增大，接触更紧密。接触后通过导热带导热使热端温度T2迅速降低，直至冷热端的温度T1和T2相等。当制冷机停机时，冷头温度逐渐升高，冷端及收缩杆的温度T1也随之升高，收缩杆恢复形变，杠杆恢复水平状，导热带的收缩力使圆柱接触块发生向上的位移与热端分离。分离后，导热路径中断，开关处于断开的状态。

本发明的有益效果是，杠杆式低温热开关的间隙因为杠杆的引入比之前的设计都要大，范围在0.5mm及以上。低温热开关为圆筒状，底面直径之间，总高度为80mm～90mm之间，杠杆的比例可在1:3～1:5之间灵活选取，材料的选择比较广泛，利用不同的材料搭配以及调整杠杆的比例，可以调节间隙的大小，以满足实际工作中的具体要求。而且杠杆的数量也可以增减，当某个杠杆失效时，其他杠杆仍可正常工作，对热开关性能没有影响。低温热开关闭合后，闭合热阻在0.4K/W左右，断开热阻大于2000K/W，开关比大于5000，比传统微膨胀型热开关的单向性更好，性能更可靠，可满足常开、常闭、间歇性的开/闭等要求。

本发明为了克服现有的微膨胀型低温热开关间隙过小，闭合热阻大的问题，利用杠杆原理，放大收缩杆收缩位移，使得间隙可以做的更大，避免了之前的设计遇到的难题。

附图说明

图1是本发明杠杆式低温热开关的结构示意图；

图2是本发明的杠杆式低温热开关用于耦合低温制冷机与被冷却器件的组装示意图；

其中，1、冷端；2、固定筒；3、收缩杆；4、导热带；5、杠杆；6、杠杆支撑；7、圆柱接触块；8、热端；9、间隙；I～IV、低温热开关；V、主制冷机；VI～VIII备份制冷机。

具体实施方式

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，包括：

—金属材质的冷端1和热端8；

—陶瓷材质的固定筒2；

—金属材质的收缩杆3；

—连接冷端1和圆柱接触块7的导热带4；

—金属材质的杠杆5；

—陶瓷材质的杠杆支撑6；

所述冷端1和热端8之间通过固定筒2连接在一起；

所述收缩杆3、导热带4、杠杆5、杠杆支撑6和圆柱接触块7位于固定筒2之内；

所述圆柱接触块7与热端8之间有一间隙9；

所述收缩杆3、杠杆5和杠杆支撑6组成一个膨胀部件；

所述膨胀部件的数量为3，呈圆周分布在固定筒2内；

所述收缩杆3一端固定在冷端1上，另一端与杠杆5的一端活动连接，所述杠杆5的另一端放置在圆柱接触块7上；所述杠杆5的中间部分与杠杆支撑6的一端活动连接，所述杠杆支撑6的另一端固定在固定筒2的内壁上。

所述收缩杆3为细长的圆柱结构，材质为铜。

所述导热带4有弹性，导热带4收缩使得接触块7和杠杆5接触固定。

所述杠杆5中间部分与杠杆支撑6的连接点将杠杆5分为1:3的两段。

所述杠杆支撑6与杠杆5配套，且和固定筒2是一体的。

所述间隙9的尺寸等于0.5mm。

所述活动连接采用销连接。

所述杠杆支撑6为L型。

本发明的具体工作过程为：制冷机冷头与冷端1直接接触，温度为T1；被冷却元件与热开关的热端2直接接触，温度为T2；两端之间由陶瓷的固定筒8固定连接起来，筒内有收缩杆3、杠杆5、陶瓷的杠杆支撑6组成的膨胀部件，导热带4和圆柱接触块7在闭合状态时起到导热的作用。当收缩杆3收缩时，杠杆5由水平变倾斜，对圆柱接触块7施加向下的压力，使得圆柱接触块7产生向下的位移，与热端8接触，开关闭合为ON态。当收缩杆3恢复原状时，杠杆5恢复水平，圆柱接触块7在导热带4的收缩力下与热端8分离，开关断开为OFF态。

在实际工作中，如图2，主制冷机V运转，与其连接的低温热开关I处于闭合状态，对被冷却元件进行冷却，而备份制冷机VI～VIII处于非运转状态，与其连接的低温热开关II～IV处于断开状态，将备份制冷机VI～VIII与被冷却元件隔断，避免了额外热负荷的引入。当主制冷机V出现故障或对冷量要求增大时，将备份制冷机VI～VIII开机，低温热开关II～IV会闭合，满足了不同工况下的要求，提高了系统的寿命及可靠性。

需要说明的是，在本实施例中收缩杆的材质为铜，但在其他实施例中，收缩杆的材质可以根据生产需要选择其他材质，如热膨胀系数大于铜的金属；其次，在本实施例中，间隙的尺寸为0.5mm，但在其他实施例中，可以根据需要采用更大的间隙，比如1mm等；最后，在本实施例中杠杆支撑的形状为L型，在其他实施例中，也可根据需要采用其他形状。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，包括：

—金属材质的冷端（1）和热端（8）；

—陶瓷材质的固定筒（2）；

—金属材质的收缩杆（3）；

—连接冷端（1）和圆柱接触块（7）的导热带（4）；

—金属材质的杠杆（5）；

—陶瓷材质的杠杆支撑（6）；

所述冷端（1）和热端（8）之间通过固定筒（2）连接在一起；

所述收缩杆（3）、导热带（4）、杠杆（5）、杠杆支撑（6）和圆柱接触块（7）位于固定筒（2）之内；

所述圆柱接触块（7）与热端（8）之间有一间隙（9）；

所述收缩杆（3）、杠杆（5）和杠杆支撑（6）组成一个膨胀部件；

所述膨胀部件的数量大于等于2，呈圆周分布在固定筒（2）内；

所述收缩杆（3）一端固定在冷端（1）上，另一端与杠杆（5）的一端活动连接，所述杠杆（5）的另一端放置在圆柱接触块（7）上；所述杠杆（5）的中间部分与杠杆支撑（6）的一端活动连接，所述杠杆支撑（6）的另一端固定在固定筒（2）的内壁上。

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的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述膨胀部件的数量为3。

3.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述收缩杆（3）为细长的圆柱结构，材质为铜或热膨胀系数大于铜的金属。

4.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述导热带（4）有弹性，导热带（4）收缩使得接触块（7）和杠杆（5）接触固定。

5.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述杠杆（5）中间部分与杠杆支撑（6）一端的连接点将杠杆（5）分为两段，所述靠近收缩杆（3）的一段与靠近圆柱接触块（7）的一段的比值为1:3～1:5。

6.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述杠杆支撑（6）与杠杆（5）配套，且和固定筒（2）是一体的。

7.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述低温热开关的工作温区为80K～300k。

8.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述间隙（9）的尺寸大于等于0.5mm。

9.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述活动连接采用销连接或球连接。

10.按权利要求1所述的用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其特征在于，所述杠杆支撑（6）为L型。