CN109312975B - 形成热开关的方法 - Google Patents

Abstract

一种形成气隙式热开关的方法，包括以下步骤：(a)设置第一和第二导体、第一和第二连接部件，在100K温度下所述导体的导热率是所述连接部件中的每一个的导热率的至少五倍；(b)将第一导体熔接到第一连接部件，将第二导体熔接到第二连接部件；(c)对准导体，使得第一和第二导体沿共同长轴延伸；(d)当已对准的导体处于第一温度时，使导体的近端彼此接触；以及(e)将第一连接部件接合到第二连接部件，以至少在导体的近端周围形成腔室。形成腔室的连接部件的热膨胀系数均小于导体的热膨胀系数，使得当导体冷却到低于第一温度的第二温度时，导体沿长轴的长度相对于腔室沿长轴的长度减小，以形成导体近端间的间隙。开关还布置为在使用时选择性地将导热气体提供到腔室中，以引起开关的操作。

Description

形成热开关的方法

技术领域

本发明涉及低温技术领域，尤其涉及形成气隙式热开关的方法。

背景技术

气隙式热开关(或“热动开关”)在低温领域是已知的，并且在“无冷冻剂(cryogen-free)”系统中特别有用，在“无冷冻剂”系统中，冷却由闭合循环机械冷却器而不是液化气体提供。可以控制这些开关以将热负荷从开关的一端传递到另一端，或使热负荷在开关的一端与另一端间隔离。通常，这些开关包括在腔室内彼此分开的至少两个导体，气体可以被引入该腔室中。当开关接通(closed)时，腔室内的气体通过传导促进导体之间的传热。通过从腔室抽空气体来将开关断开(opened)，使得该传热路径不再可用。

导体典型地采用交错或“叉指”(interdigitated)部件的形式，例如以翼片的形式，翼片布置为在导体之间提供大的传热表面。在开关的导体之间必须存在间隙，以便在开关断开时允许热连接断开。尽管如此，该间隙的尺寸应保持在最小值，以便在接通开关时实现可靠的传热。开关的性能通过有效热交换表面积除以导体之间的间隔(或间隙)所得的比率(A/L)来参数化。使用叉指设计制造高性能开关相对困难，特别是当开关小型化时。

先前已经提出了不采用叉指式布置，而是使导体共线布置的用于气隙式热开关的更简单的设计。然而，通常避免这些开关，特别是对于低温应用来说如此，这是因为受到间隙尺寸的限制，这些开关在接通状态下具有差的传热性能。

期望提供一种简单的气隙式热开关，其可以可靠且容易地构造，并且在低温下提供优异的性能。

发明内容

在本发明的第一方面中，提供一种形成气隙式热开关的方法，该方法包括以下步骤：

(a)设置第一导体和第二导体，以及第一连接部件和第二连接部件，其中，在100K的温度下所述导体(第一导体和第二导体)的导热率是所述连接部件(第一连接部件和第二连接部件)中的每一个的导热率的至少五倍；

(b)将所述第一导体熔接到所述第一连接部件，并且将所述第二导体熔接到所述第二连接部件；

(c)对准所述导体，使得所述第一导体和所述第二导体沿共同的长轴延伸；

(d)当已对准的所述导体处于第一温度时，使所述导体的近端彼此接触；以及

(e)将所述第一连接部件接合到所述第二连接部件，从而至少在所述导体的近端周围形成腔室；

其中，形成所述腔室的所述连接部件的热膨胀系数均小于所述导体的热膨胀系数，使得当所述导体被冷却到低于所述第一温度的第二温度时，所述导体沿所述长轴的长度相对于所述腔室沿所述长轴的长度减小，从而形成所述导体的所述近端之间的间隙；并且

所述开关布置为在使用时选择性地将导热气体提供到所述腔室中，以引起所述开关的操作。

与叉指式现有技术设计不同，所述导体被对准(例如共线地布置)为沿共同的长轴延伸。因此，导热气体仅在所述导体的对置的近端之间传热，而不沿每个导体的整个长度传热。然而，有效传热表面的这种减小由对置的导体之间较小的间隔来补偿，该较小间隔比原先能在可靠的热开关中实现的间隔小。因此，可以保持跨过所述开关的有效传热，同时确保提供可靠且鲁棒的可分离热连接。

本文中提出了一种热收缩气隙式热开关，其中，对置的共线布置的导体之间的间隔可根据导体的温度而被控制。有利地，该开关可以在室温下(在这种情况下为第一温度)组装。一旦被组装，所述开关随后可以被冷却，使得套管与导体之间的热膨胀系数的差异能够使导体相对于套管收缩。如此在导体的对置的端部之间形成小间隙。主要通过使用导热气体传导而在该间隙中发生传热。

典型地，依次执行步骤(a)至步骤(e)，然而可以在步骤(b)之前执行步骤(c)。在任何情况下，在步骤(d)和步骤(e)之前执行步骤(b)。典型地，在对准的导体的近端彼此接触时，即在步骤(d)之后，执行步骤(e)。

步骤(e)涉及将两个最初分离的连接部件接合在一起的方法。根据一个方法，步骤(e)包括将所述第一连接部件熔接到所述第二连接部件。因此，这些构件可以直接接合在一起。所述第一连接部件或所述第二连接部件优选地可以包括套管部分，所述套管构造为封包至少所述第一导体和所述第二导体二者的近端。在这种情况下，所述第一连接部件和第二连接部件一起形成限定腔室的腔室壁。

将所述连接部件熔接在一起通常会将热量输入到所述开关。有利的是，确保热量不在整个导体的长度上传导，因此，对这些接头(joints)来说，电子束焊接等高度局部化的热处理是优选的。因此，优选地使用电子束焊接将所述第一连接部件熔接到所述第二连接部件。这使得在步骤(e)期间导体能够保持在大致第一温度，例如平均在大致20K。

在替代性方法中，所述步骤(e)包括将所述第一连接部件和所述第二连接部件中的每一个熔接到设置在所述连接部件之间的套管；其中，在100K的温度下所述导体的导热率是所述套管的导热率的至少五倍；并且所述套管的热膨胀系数小于所述导体的热膨胀系数，使得当所述导体被冷却到所述第二温度时，所述导体的沿所述长轴的长度减小，从而形成所述间隙。因此，可以提供中间套管以形成腔室的一部分。因此，所述第一连接部件和所述第二连接部件可以通过步骤(e)间接地接合在一起。该方法典型地要求形成附加接头(优选地也使用电子束焊接形成)，以便将每个连接部件熔接到套管，然而，在一些实例中，取决于热开关和任何所附设备的形状和尺寸，该方法可以允许更容易的组装。所述第一连接部件和所述第二连接部件优选地分别形成第一法兰和第二法兰。在使用中可以将这些法兰布置为将所述套管的敞开端闭合。因此，所述第一连接部件和所述第二连接部件以及所述套管可以一起形成限定了本实施例中的腔室的腔室壁，并且所述法兰用作腔室的两相反端。所述套管本身可以是整体式的或可以由若干个部件形成。

有利的是，确保不会建立沿着所述套管的明显的热交换路径，因为这样的热交换路径将绕过所述导体和所述间隙，有力地防止开关被断开。因此，优选地，在100K的温度下所述导体的导热率是所述套管(无论是作为单独部件还是作为连接部件的一部分)的导热率的至少10倍。在低温下，不同材料的导热率倾向于发散，因此在10K的温度下所述导体的导热率可以是所述套管的导热率的至少1000倍。出于类似的原因，优选地，在100K的温度下所述导体的导热率是所述第一连接部件和所述第二连接部件的导热率的至少10倍。进一步优选地，在10K的温度下所述导体的导热率是所述第一连接部件和所述第二连接部件的导热率的至少1000倍。

所述导体优选为铜或铜基的(包括无氧铜)，这是因为它们具有高导热率和热膨胀性质。所述连接部件优选为不锈钢，这是因为其相对于铜呈现期望的导热率和热膨胀性质。不锈钢还因其呈现优良的可焊接性而作为优选。出于类似的原因，所述套管也优选地由不锈钢制成。

所述方法还优选地包括：(f)将所述导体中的每一个分别冷却至低于所述第二温度的温度，以使得所述导体沿所述长轴的长度减小，从而在所述导体的近端之间形成间隙。典型地，由气隙式热开关的最终用户在气隙式热开关已被安装到操作位置，例如，联接到用于冷却的机械制冷机的情况下执行该步骤。在该阶段期间可以通过外部部件将冷却直接施加到导体中的一个，并且将开关保持在接通状态以使另一导体能与该导体进行传热。作为替代，在该阶段期间可以直接冷却两个导体。最典型地，保持跨过开关的温度差，使得两个导体处于均低于第二温度的不同温度。

期望的是，确保气体在两个对置导体之间行进的路径长度保持最小。因此，有利的是，实现导体的对置表面之间的均匀间隙尺寸。因此，步骤(a)还可以包括对所述第一导体和所述第二导体进行机加工从而在所述导体中的每一个上形成平坦接合表面；并且步骤(d)可以包括使所述接合表面彼此接触。理论上也可以使用弯曲的接合表面，以实现抵靠的导体的接合表面上的所有点的均匀间隙尺寸，然而优选为平坦表面，这是因为平坦表面可以被机加工为更高精度。因此，最优选地，所述接合表面在具有沿各个导体的长轴延伸的法线的平面中延伸。

间隙可以被认为由所述第一导体和所述第二导体的所有对置表面之间的最接近的点形成。对于具有垂直于长轴的对置(接合)表面的导体，将沿长轴测量该间隙，然而，在其它情况下，取决于两个导体之间的最小间隔，可以沿不同方向测量间隙。

间隙由所述导体沿导体的长轴热收缩而形成。因此，优选地所述第一导体和所述第二导体为细长状的以确保产生明显的收缩，使得在第二温度下两个导体彼此不直接接触。

最典型地，所述间隙小于在下述接合点之间所述导体沿所述长轴的尺寸之和的0.05％：所述第一导体与所述第一连接部件的接合点；以及所述第二导体与所述第二连接部件的接合点。由于所述导体和所述连接部件可以具有多个接合点或扩展的接合区域，因此相关(前述)接合点是最接近各个导体的近端的接合点。正是这一点提供了相对于彼此发生差异热收缩的接合的构件之间的零相互应变位置。随后，沿着长轴具有几厘米量级的尺寸的所述导体可以产生几微米量级的间隙尺寸，从而允许导热气体在所述导体之间进行优异的传热。

步骤(b)优选通过钎焊工艺(brazing process)进行。这种工艺产生牢固的接头，这在热循环期间是有利的。该工艺还可以产生防气体泄漏的接头，因此将有助于密封腔室。真空钎焊尤其优选，因为这产生了具有高完整性和强度的极其清洁、无焊剂的钎焊接头。步骤(b)期间的热输入(以及与之相关的导体热膨胀)不会引起问题，因为导体尚未接触-步骤(d)。

所述开关优选地构造为在使用时抽空所述腔室，以便使所述导体的相反的远端实质热隔离。该步骤有效地“断开”开关，使得在开关的两个导体之间发生可忽略的传热。可以提供包括吸附泵和吸气剂的气泵或其它抽空装置以辅助该过程。替代性地，吸气剂和/或吸附泵可以集成到开关中，以便提供密封单元。

最典型地，第一温度在280至310K之间。因此，有利的是，开关可以大致在室温下组装。然而，两个对准的导体之间的间隙在较低的温度，即，第二温度下产生。该第二温度可以被认为是热开关的操作温度，开关可以在低于该操作温度的温度下断开和接通。该开关在高于第二温度的温度下仍可用于沿相互接触的导体形成传热路径，例如用于帮助系统冷却到较低温度。第二温度可包括低于100K的任何温度，但最典型地在5至20K之间。由于开关的目的是选择性地将开关的一端与另一端热隔离，所以当处于“断开”状态时，开关的端部可以分别处于不同的温度，每个温度低于第二温度。

在本发明的第二方面中，提供一种气隙式热开关，包括：

第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体沿共同的长轴对准，其中沿所述长轴，所述第一导体和所述第二导体均具有至少5cm的长度；

第一连接部件和第二连接部件，所述第一连接部件和所述第二连接部件在所述导体的至少近端周围形成腔室，其中，在100K的温度下所述导体的导热率是所述连接部件的导热率的至少五倍；

其中，所述连接部件的热膨胀系数均小于所述导体的热膨胀系数；

所述第一导体的近端与所述第二导体的近端隔开小于50μm的间隙；并且

所述开关布置为在使用时选择性地将导热气体提供到所述腔室中，以引起所述开关的操作。

优选地，间隙小于30微米，因为这使得导热气体能够在对置的所述导体之间实现更好地传热。

优选地，所述第二方面的气隙式热开关还包括套管，所述套管设置在所述连接部件之间并且布置为至少延伸跨过在所述导体的所述近端；

其中，所述第一连接部件和所述第二连接部件中的每一个熔接到所述套管；

在100K的温度下所述导体的导热率是所述套管的导热率的至少五倍；

所述套管的热膨胀系数小于所述导体的热膨胀系数；并且

所述套管和所述连接部件形成所述腔室。

在本发明的第三方面中，提供一种低温系统，该低温系统包括：

根据所述第二方面的气隙式热开关；

机械制冷机，其联接至所述第一导体；以及

目标设备，其联接至所述第二导体。

在一些实施例中，所述第三方面可以为目标设备提供比使用一些现有技术的气隙式热开关可实现的冷却时间更快的冷却时间。目标设备可以是任何待冷却的物品，理论上包括机械制冷机的附加级。

本发明的第二和第三方面可以与第一方面共享相似的特征，并且通过类比提供相同的优点。

附图说明

现在将参考附图讨论本发明的实例，其中：

图1是第一导体和第一连接部件的剖视图；

图2是布置在套管内的第一和第二导体的剖视图；

图3是气隙式热开关的实施例的剖视图；

图4是根据实施例的低温系统的示意图；

图5是示出根据实施例的方法的流程图；并且

图6是气隙式热开关的实施例的剖视图。

具体实施方式

将参考图5的流程图以及图1至图3的附图论述用于形成热收缩气隙式热开关10的方法的实施例，以及该开关10的实施例。

在图5的步骤300中提供第一和第二导体2、3。在图1中提供了第一导体2和呈第一法兰4形式的第一连接部件的剖视图。第一导体2是细长的并且是大致柱状的。第一法兰4包括直径约1cm的中央孔，中央孔与第一导体2的第一端部分11接合。第一端部分11沿其长度具有1cm的直径，而导体2的其余部分沿其长度具有2cm的较大的恒定直径，使得第一法兰4作为套环仅配合在第一端部分11上且围绕第一端部分11。第一端部分11包括中央孔18以能够将导体2物理连接至连接部件，诸如机械制冷机或目标设备等，利用该连接部件传递热量。该物理连接可以部分地通过将延伸穿过第一法兰4的多个螺栓紧固到设置在第一端部分11中的螺栓孔9的节圆(pitch circle)中来实现。

还提供了类似的第二导体3(图1中未示出)，其以类似的方式与第二法兰5形式的第二连接部件接合。导体2、3中的每一个沿其长轴具有大约5cm的长度。在替代性实施例中，导体2、3沿其各自的长轴可以具有不同的长度。

在步骤301中，将第一导体2熔接到第一法兰4，并将第二导体3熔接到第二法兰5。优选地，将第一法兰4真空钎焊到导体2的第一端部分11上，以实现对热循环具有鲁棒性的可靠的永久连接。然后单独地，对使用第二法兰5的第二导体3重复该过程。

为了实现沿着开关的传热，第一和第二导体2、3均由高导热材料形成。由于开关旨在用于低温，包括低于100K的温度，这意味着导体2、3应在这样的低温下具有高导热率。第一和第二导体2、3典型地由相同的材料形成，以确保类似的热传导和膨胀特性。最典型地，这种材料是铜，优选为无氧铜；然而原则上也可以使用银。理想地，所述导体在20K的温度下具有高于5000W/mK的导热率。

在步骤302中，将第一和第二导体2、3对准(在这种情况下“共线地布置”)为沿着共同的长(或“纵向”)轴延伸，使得第一端部分11、12布置在导体2、3的相反的远端，并且法兰设置在这些端部(远端)处。钎焊工艺将热量输入到导体2、3，这可能导致导体2、3膨胀。在开始步骤303之前，操作者应当等待该热量从导体2、3消散。

提供环形套管6，其内径比导体2、3的直径稍大。套管沿其长轴的长度短于开关长度，开关长度由导体2、3沿它们的长轴的尺寸之和形成。在这种情况下，沿着长轴，开关长度为约10厘米，并且套管长度为约9厘米。

在图5的步骤303中，导体2、3随后在第一温度下在套管6内被结合或“按压”在一起，直到导体2、3的彼此靠近的端部13、14在第一温度下相互接触，该第一温度为室温(或在290至300K之间)。因此，导体2、3和套管6的各自的长轴在该阶段沿着共同的长轴对准。套管6优选为整体式的(即，由一个部件形成)，然而作为选择，套管6可以由若干个部件组成。在替代性的组装过程中，导体2、3首先共线地布置，然后套管6在连接部件中的一个上滑动，或者围绕导体2、3组装，以封包导体2、3。

第一和第二导体2、3布置成使得在第一温度下导体2、3的邻接面之间不存在间隙。在本实施例中，这通过确保导体2、3在近端13、14处具有垂直于导体2、3的长轴的抵靠在一起的平坦面(或“接合表面”)来实现。在步骤303的组装之前(步骤301之前或之后)，可以使用机械加工来实现该平坦度的均匀性和准确性。其它形状的表面也是可能的，只要导体2、3的近端13、14彼此匹配，从而在按压在一起时不留下宏观间隙即可。接合表面优选地具有相同的表面积并且布置成使得导体2、3的近端13、14处的径向表面齐平。

套管6和法兰4、5形成壳体，该壳体限定第一法兰4与第二法兰5之间的区域中的腔室16。具体地说，套管6的内径大于导体2、3的外径，例如大1mm，使得沿着导体2、3的长度形成环形腔室16。

在步骤304中，将套管6熔接到第一和第二法兰4、5上，以便形成密封室16，并且由此形成开关10。使用局部加热工艺(诸如电子束焊接等)使套管6在套管6的相应端部处接合到法兰4、5。有利地，没有显著的热量输入到导体2、3，显著的热量输入将导致导体2、3在该过程中膨胀。

法兰4、5和套管6由相对于导体2、3在低温下绝热的材料形成，使得法兰4、5和套管6不形成开关10的相反的远端部分11、12之间的传热路径的一部分。具体地说，在100K的温度下导体2、3的导热率应当为法兰4、5和套管6的导热率的至少五倍。在较低温度下，不同材料之间导热率倾向于发散，因此在较低温度下该导热率差异可能甚至更大，例如在10K的温度下乘以1000的系数。用于法兰4、5和套管6的合适的候选材料是不锈钢，其具有提供良好可焊性的附加益处。最优选地，法兰4、5和套管6均由相同的材料形成，以便表现出类似的导热率和膨胀/收缩性质。

重要的是，套管6熔接到不锈钢法兰4、5上，而不是直接熔接到铜导体2、3上。法兰4、5(其具有比导体2、3低的导热率)用作热障，热障减少了在熔接过程中沿导体2、3的长度传导的热量。因此，任何加热都是局部化的，并且基本上避免了在步骤304的熔接过程期间由于热膨胀导致的导体2、3的伸长。因此，导体2、3之间的接触在第一温度下实现，而不是在由于来自熔接过程的热输入而升高的温度下实现。这种优点在后文会变得明显。

在步骤305中，将开关10安装到操作位置，并且冷却第一和第二导体2、3。例如，低温致冷器可以利用孔18(以及替代性的另外的连接螺栓)在热开关10的相应的远端部分11、12处连接到导体2、3中的任一个或两个。在该阶段，腔室16可以填充有导热气体，典型地为绝对压力为1巴的氦气。对于约10mK的低温应用，优选氦-3，因为氦-3具有比氦-4低得多的超流体转变温度，因此不太可能引起不希望的热短路。然而，可以使用任何气体。

热开关10布置成在使用时选择性地将导热气体提供到腔室16中，以实现可控的跨越开关10的传热。这可以通过提供一个或多个管来实现，所述一个或多个管从气源延伸到套管6中或者延伸到法兰4、5中的任一个中并在腔室16中终止，以便向腔室16提供导热气体流或从腔室16导出导热气体流。作为选择，这些管可以延伸穿过导体2、3中的任一个、终止于相应导体的近端13、14。在图2所示的实施例中，气体输送管15延伸穿过第二法兰5并终止于腔室16内。气源可任选地采用吸气剂或吸附泵的形式，以在需要时帮助抽空气体，从而断开开关。替代性地，吸气剂或吸附泵可以集成到开关中。

套管6和法兰4、5中的每一个的热膨胀系数小于导体2、3的热膨胀系数，使得当导体2、3被冷却到低于第一温度的第二温度时，导体2、3沿长轴的长度减小，从而在导体2、3的近端之间形成间隙8(由图3示出，未按比例)。由于套管6和导体2、3之间的热膨胀性质的差异以及开关10的各元件的物理布置而导致发生这种分离。具体地说，第一和第二导体2、3仅在其远端11、12处通过法兰4、5连接到套管6。因此，导体2、3沿长轴自由收缩，而不将分开导体2、3的力施加在套管6上。套管6(以及法兰4、5，其程度较小)也可以随着开关10的温度冷却到第二温度而收缩，然而，这种改变不会像导体2、3的长度减小那样明显。

第二温度可以被认为是两个导体中的一个或每个的确保开关的“断开”状态可实现的最大温度。在实践中，第二温度可以被认为是操作温度并且典型地显著低于第一温度，例如第二温度可以包括低于100K的任何温度。当然，远端部分11、12可以处于不同的温度(均低于第二温度)，并且实际上这是在热开关10的操作期间的常见情况。在10K的温度下，不锈钢壳6将收缩约0.29％，而铜导体2、3将收缩约0.31％。在本实施例中，这种相对收缩差异将在导体2、3的对置面之间产生约20μm的间隙8(假设开关长度如先前所限定的为约10cm)。该间隙8的尺寸取决于导体2、3与套管6之间的热膨胀系数的差异，导体2、3沿长轴的长度，以及导体2、3被冷却的温度。典型地，间隙小于开关长度的0.05％。

上述构造气隙式热开关10的方法以及开关设计具有显著的优点：当导体2、3大致处于室温时，在步骤304中导体2、3的远端物理连接。如果相反地，在套管6和导体2、3相互接触的同时，将套管6直接焊接到导体2、3的远端11、12，则该过程将向系统输入热量，该热量将传导通过导体2、3并使它们膨胀。然后，导体2、3之间的接触将发生在更高的温度。这最终意味着当开关10冷却到第二温度时会产生大得多的间隙8，从而导致较差的传热性能。

在一些实施例中，可以通过这样来实现甚至更小的间隙8：在步骤303中用增加的力将导体2、3按压在一起，并且可以使用托架(brace)来附接套管6，使得热开关10被预加应力或预张紧，导致在步骤305中导体2、3部分热收缩时，导体2、3中的轻微负应变下降到零。

现在将参考图4描述组件的实例，在实例中可以发现热开关10的特别的益处。脉冲管制冷机(PTR)形式的机械制冷机整体以100表示。其可以用于冷却各种类型的目标设备，包括磁体系统的部件、实验传感器或用于实验用途的其它设备，或者例如用于预冷却稀释制冷机的各个阶段。这种目标设备103被示出为经由热开关10附接到PTR 100。诸如导热板等连接部件可以设置在热开关10与PTR 100或目标设备103之间，以便于热连接。还示意性地示出了气源101，其布置为向热交换器10提供可控的导热气体流以及从热开关10导出可控的导热气体流，以便引起开关10的操作，但气源101也可以在开关的构造的内部。

在这种情况下，PTR 100的第二级在开关10的第一端连接到热开关的第一导体2，而目标设备103在开关10的第二端连接到第二导体3。导体2被如此冷却到低于第二导体3的温度的温度，并且当接通开关时，热流路径被设定为跨过开关10。

当每个导体2、3被冷却到低于100K的相应温度时，在第一和第二导体2、3之间形成间隙8。当热开关10处于其接通状态时，导热气体存在于由套管6和导体2、3形成的腔室16内。然后，热量跨过开关10在目标设备103与PTR 100之间传递。首先通过沿着每个导体2、3的传导，其次通过使用间隙8的区域中的导热气体的传导而发生该热传递。由于套管材料的低导热率，沿套管6发生的热传递可忽略。相对于一些现有技术设计，热开关10在该接通状态下提供改善的导热率，这是因为气体为了在导体2、3之间传送热量而必须行进的路径长度更小。

通过使用可控气源101抽空热开关10，可以断开热开关10，从而使PTR 100与目标设备103热隔离。这消除了通过热开关10的第一和第二导体2、3之间的气体传导来传热的可能性。

当断开开关10时，少量的传热仍可能跨过套管6发生。该热泄漏的量至少部分地取决于套管6的性质，以及连接到开关10的相反端的主体100、103的温度。对于直径为20mm、壁厚为1mm、并且沿长轴的长度为20cm的不锈钢套管6，可以预期在温度为4K的第一主体100和温度为1K的第二主体103之间的传导约0.5mW。热泄漏的值与套管的长度成反比。

图6中示出了气隙式热开关10’的替代性实施例，其中带后缀’的附图标记用于指示先前论述的热开关10的等同特征。热开关10’类似于前面的实施例，除了以下两个主要区别之外：

首先，导体2’、3’的长度之和明显大于两法兰及其中间的套管沿长轴的组合长度。因此，端部分11’、12’分别在沿着长轴远离间隙8’的方向上显著地延伸超过连接部件4’、5’。导体2’、3’的从连接部件4’、5’延伸到导体的相应远端的部分不影响间隙尺寸，但由于导体的暴露的表面积的增加而可用于实现与连接设备的更好的热连接。对于给定长度的(沿着长轴并在导体的远端之间测量的)开关，通过将中间套管和连接法兰布置为延伸跨过导体的较小部分(如图6所示)，而不是延伸跨过大约开关的整个长度(如图2和3所示)，可以实现较小的最终间隙尺寸。这是当对各个连接部件冷却时导体的自由收缩的长度减小的结果。

其次，套管和第二连接部件5’是一体的。换言之，第二连接部件5’形成了前面的实施例的套管6和第二法兰5两者。因此，第二连接部件5’可以构造为单个不锈钢构件。因此，为形成腔室，在步骤304中仅需要形成一个接头。使用电子束焊接直接在第一和第二连接部件4’、5’之间形成该接头。在图示的实施例中，第一连接部件4’仅表现为法兰或衬圈，然而在一替代性实施例中，连接部件4’、5’中的每一个可以具有延伸的套管部分，使得通过将两个连接部件4’、5’熔接在一起而形成作为整体的套管和腔室。

在另一实施例中，导体在远离间隙的方向上显著地延伸超过连接部件，如图6的实施例那样，然而，套管是在其每一端处连接到法兰的单独部件，如图1至图3的实施例那样。

应理解的是，如此提供了比现有技术的叉指式设计更简单且更牢固的气隙式热开关。制造这种热开关的方法的另一个优点在于：能够实现比之前能实现的热导体的相对端之间的间隔(典型地在0.5-1.0mm之间)更小的间隔(几十微米量级)。因此，当接通开关时，可以确保有效的传热，在断开开关时，不会影响使连接到开关的相反端的各主体热隔离的能力。

Claims (27)

1.一种形成气隙式热开关的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)设置第一导体和第二导体，以及第一连接部件和第二连接部件，其中，在100K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率均是所述第一连接部件和所述第二连接部件中的每一个的导热率的至少五倍；

(b)将所述第一导体熔接到所述第一连接部件，并且将所述第二导体熔接到所述第二连接部件；

(c)对准所述第一导体和所述第二导体，使得所述第一导体和所述第二导体沿共同的长轴延伸；

(d)当已对准的所述第一导体和所述第二导体处于第一温度时，使所述第一导体和所述第二导体二者的近端彼此接触；以及

(e)将所述第一连接部件接合到所述第二连接部件，从而至少在所述第一导体和所述第二导体二者的近端周围形成腔室；

其中，形成所述腔室的所述第一连接部件和所述第二连接部件的热膨胀系数均小于所述第一导体的热膨胀系数且均小于所述第二导体的热膨胀系数，使得当所述第一导体和所述第二导体被冷却到低于所述第一温度的第二温度时，所述第一导体和所述第二导体二者沿所述长轴的长度相对于所述腔室沿所述长轴的长度减小，从而形成所述第一导体和所述第二导体二者的近端之间的间隙；并且

所述气隙式热开关布置为在使用时选择性地将导热气体提供到所述腔室中，以引起所述气隙式热开关的操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(e)包括将所述第一连接部件熔接到所述第二连接部件。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一连接部件包括套管，所述套管构造为封包至少所述第一导体和所述第二导体二者的近端。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，通过电子束焊接将所述第一连接部件熔接到所述第二连接部件。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(e)包括将所述第一连接部件和所述第二连接部件中的每一个熔接到设置在所述第一连接部件和所述第二连接部件之间的套管；

其中，在100K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率均是所述套管的导热率的至少五倍；并且

所述套管的热膨胀系数小于所述第一导体和所述第二导体的热膨胀系数，使得当所述第一导体和所述第二导体被冷却到所述第二温度时，所述第一导体和所述第二导体的沿所述长轴的长度减小，从而形成所述间隙。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一连接部件和所述第二连接部件分别布置为第一法兰和第二法兰。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，使用电子束焊接执行将所述第一连接部件和所述第二连接部件中的每一个熔接到所述套管。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，在100K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率是所述套管的导热率的至少10倍。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，在10K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率是所述套管的导热率的至少1000倍。

10.根据权利要求5所述的方法，其中，所述套管由不锈钢制成。

11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一连接部件、所述第二连接部件和所述套管为相同的材料。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

(f)将所述第一导体和所述第二导体中的每一个冷却至低于所述第二温度的温度，以使得所述第一导体和所述第二导体沿所述长轴的长度减小，从而在所述第一导体和所述第二导体二者的近端之间形成间隙。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)还包括对所述第一导体和所述第二导体进行机加工从而在所述第一导体和所述第二导体中的每一个上形成平坦接合表面；并且步骤(d)包括使所述接合表面彼此接触。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述接合表面在具有沿所述长轴延伸的法线的平面中延伸。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一导体和所述第二导体为细长状的。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述间隙小于在下述接合点之间所述第一导体和所述第二导体沿所述长轴的尺寸之和的0.05％：所述第一导体与所述第一连接部件的接合点；以及所述第二导体与所述第二连接部件的接合点。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，通过钎焊工艺执行步骤(b)。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，在100K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率是所述第一连接部件和所述第二连接部件的导热率的至少10倍。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，在10K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率是所述第一连接部件和所述第二连接部件的导热率的至少1000倍。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一导体和所述第二导体由铜制成。

21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一连接部件和所述第二连接部件由不锈钢制成。

22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气隙式热开关构造为在使用时抽空所述腔室，以便使所述第一导体和所述第二导体二者的相反的远端实质热隔离。

23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度在280K至310K之间。

24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二温度在5K至20K之间。

25.一种气隙式热开关，包括：

第一导体和第二导体，所述第一导体和所述第二导体沿共同的长轴对准，其中沿所述长轴，所述第一导体和所述第二导体均具有至少5cm的长度；

第一连接部件和第二连接部件，所述第一连接部件和所述第二连接部件在所述第一导体和所述第二导体二者的至少近端周围形成腔室，其中，在100K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率均是所述第一连接部件和所述第二连接部件中的每一个的导热率的至少五倍；

其中，所述第一连接部件和所述第二连接部件的热膨胀系数均小于所述第一导体的热膨胀系数且均小于所述第二导体的热膨胀系数；

当所述第一导体和所述第二导体的温度低于100K时，所述第一导体的近端与所述第二导体的近端隔开小于50μm的间隙；并且

所述气隙式热开关布置为在使用时选择性地将导热气体提供到所述腔室中，以引起所述气隙式热开关的操作。

26.根据权利要求25所述的气隙式热开关，还包括套管，所述套管设置在所述第一连接部件和所述第二连接部件之间并且布置为至少延伸跨过所述第一导体和所述第二导体二者的近端；

其中，所述第一连接部件和所述第二连接部件中的每一个熔接到所述套管；

在100K的温度下所述第一导体和所述第二导体的导热率是所述套管的导热率的至少五倍；

所述套管的热膨胀系数小于所述第一导体和所述第二导体的热膨胀系数；并且

所述套管和所述第一连接部件、所述第二连接部件形成所述腔室。

27.一种低温系统，包括：

根据权利要求25的气隙式热开关；

机械制冷机，其联接至所述第一导体；以及

目标设备，其联接至所述第二导体。

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