CN111947348B - 一种复合筒热开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合筒热开关，包括上法兰、下法兰和热开关筒，所述的热开关筒包括内筒、外筒和中间筒，其中内筒与上法兰连接，外筒与下法兰连接，中间筒两端分别连接内筒和外筒。与现有技术相比，本发明热开关筒导热长度是普通筒的三倍以上，从而导热率至多是原来1/3，从而减小了热开状态时的导热。

Description

一种复合筒热开关

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其是涉及一种制冷机用复合筒热开关。

背景技术

磁制冷机主要由制冷材料，磁体，与热开关组成，利用磁热材料在磁场中其温度随磁场强度变化而变化进行制冷。其中核心组件热开关可以为气体热开关、超导式，或机械式，或其他形式。气体热开关一般由上法兰、下法兰和热开关筒组成，其作用原理是：两个未接触的上法兰和下法兰，如果它们处在高真空的环境，彼此传热极差，是一种热分离的状态，在充入少量的氦气后，通过氦气的传热，上法兰和下法兰之间实现了热接触，从而起到了热开关的作用。热开关的要求是开的时候上下法兰间的导热率要足够大，关的时候，上下法兰间的导热率足够小。但普通的圆管做的热开关筒的导热率比较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种导热率小的复合筒热开关。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种复合筒热开关，包括上法兰、下法兰和热开关筒，其特征在于，所述的热开关筒包括内筒、外筒和中间筒，其中内筒与上法兰连接，外筒与下法连接，中间筒两端分别连接内筒和外筒。

进一步地，所述的中间筒由多个层层嵌套的筒组成，相邻筒首尾连接，构成折叠式结构。

进一步地，所述的中间筒的数量为1-10个，其中第一中间筒套在内筒外侧，其底部与内筒底部连接，顶部与其外侧套设的第二中间筒套顶部连接，最后一个中间筒顶部与外筒顶部连接。

进一步地，所述的内筒顶部与上法兰连接，底部与下法兰不接触。

进一步地，所述的外筒底部与下法兰连接，顶部与上法兰不接触。

上法兰与下法兰上布置了翅片，翅片与翅片距离很近；进一步地，所述的上法兰设有向下延伸的多个翅片a，下法兰上设有向上延伸的多个翅片b，翅片a与翅片b交错设置，且翅片a和翅片b的长度均小于上下法兰之间的间距。

进一步地，所述的上法兰、下法兰和热开关筒之间构成一个密闭腔体，该密闭腔体可充放氦气。

进一步地，所述的复合筒热开关用于制冷机，复合热开关筒的密闭腔体与吸附器连通，

当复合热开关筒内腔体内充满氦气，上下法兰通过氦气导热，为热开状态；

当复合热开关筒内腔体内的氦气被吸附器吸走后为真空，上下法兰处于热绝缘状态，为热关状态。

所述的制冷机为回热式制冷机与磁制冷机耦合的复合制冷机，热开关连接回热式制冷机的末级冷头和磁制冷机的制冷材料。

进一步地，所述的磁制冷机为多级结构，所述的回热式制冷机为脉管制冷机或GM制冷机。

本发明复合热开关筒是由多个筒嵌套后，首尾连接，将导热长度拉长到了普通导热筒的3～10倍，从而热导率是单个普通导热筒的1/3～1/10，加长了上法兰与下法兰之间的距离，从而降低了筒的导热系数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用复合热开关筒以减小热开关筒漏热的设计，热开关的要求是开的时候上下法兰间的导热率要足够大，关的时候，上下法兰间的导热率足够小。但普通的圆管做的热开关筒的导热率比较大。本发明热开关筒由内筒加上至少第一中间筒加上外筒组成的复合热开关筒，其导热长度是普通筒的约三～十倍，从而导热率与简单的一个筒相比导热率约是原来的1/3～1/10，从而减小了热开状态时的导热。

2.本发明采用复合热开关筒由内筒、中间筒和外筒组成，其中中间筒为至少一级，可以为二级、三级中间筒甚至更多级联用，使其导热长度更长，导热率更低。

3.本发明采用的复合热开关用于制冷机中，尤其是回热式制冷机与磁制冷机耦合的复合制冷机，热开关连接回热式制冷机的末级冷头和磁制冷机的制冷材料，可降低由于热开关带来的漏热，增加了制冷量，也会使制冷温度更低。

附图说明

图1为第一种复合热开关筒结构示意图；

图2为第二种复合热开关筒结构示意图；

图3为回热制冷机的结构示意图；

图4为采用复合热开关筒的回热式制冷机与磁制冷机耦合结构示意图；

图5为双级4K脉管制冷机与单级磁制冷机耦合结构置于真空腔中的示意图；

图中标识：

1、回热制冷机，11、第一级脉管子单元，111、第一级脉管，112、第一级回热器，113、第一级冷头，113a、第一级冷头热桥，12、末级脉管子单元，121、末级脉管，122、末级回热器，123、末级冷头，123a、末级冷头热桥，1240、剩余冷头，1241、第一剩余冷头，1241a、第一剩余冷头热桥，1242、第二剩余冷头，2、第一级磁制冷机，211、第一级热开关，2111、热开关上法兰，2112、内筒，2113a、第一中间筒，2113b、第二中间筒，2113c、第三中间筒，2114、外筒，2115、热开关下法兰，211a、第一级吸附器，212、第一级制冷盐，213、第一级超导磁体，31、第一级辐射屏，32、第二级辐射屏33、真空腔，331、波纹管，34末级辐射屏。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，复合筒热开关，包括上法兰2111、下法兰2115，以及位于上下法兰之间的复合热开关筒，复合热开关筒包括内筒2112、外筒2114和第一中间筒2113a，其中内筒2112顶部连接在上法兰2111上，外筒2114底部连接在下法兰2115上，第一中间筒2113a位于内筒2112与外筒2114之间，其底部连接内筒2112、顶部连接外筒2114，构成一个截面呈折叠状的密闭腔体。其中上法兰2111与下法兰2115上布满了翅片，翅片与翅片距离很近；如图1所示，上法兰2111设有向下延伸的翅片a，下法兰2115上设有向上延伸的翅片b，翅片a与翅片b交错设置，且翅片a和翅片b的长度均小于上下法兰之间的间距。上下法兰和其翅片不直接接触。

上述复合热开关筒的导热长度是普通筒的约三倍，从而热开关的导热率是简单一个筒导热率的约1/3，从而减小了热开在开的状态时的导热。

这里，上法兰、下法兰等上与下的位置名称仅仅是名字，为了表述方便，与实际位置没有大的关联。

实施例2

如图2所示，一种复合热开关，由上法兰下法兰与复合热开关筒组成。复合热开关筒由内筒2112，第一中间筒2113a、第二中间筒2113b、第三中间筒2113c和外筒2114依次连接构成折叠结构。其余同实施例1。

本实施例中增加了第二中间筒2113b，第三中间筒2113c，其导热长度更长，导热率更低。

中间筒的数量可根据需要设置多个。

热开关内充了氦气是即为开，里面的翅片a与翅片b通过氦气导热，从而使上下两个法兰之间可以导热。氦气被抽走后里面是真空，翅片a与翅片b不能导热，下两个法兰之间几乎不导热，为断开状态，这是只有复合热开关筒的导热，很小。本发明的目的就是很小的热开关筒导热。

二个分别连接于上下法兰的物体之间的热连接于不热连接就可通过热开关实现。

氦气的充放可以由真空泵实现，也可以由吸附器实现。一般磁制冷机采用吸附器。一般吸附器内充有活性炭或其他形式的吸附材料。当活性炭被冷却后吸收氦气，被加热后释放氦气。

实施例3

将本发明复合热开关用于回热式制冷机与磁制冷机耦合的复合制冷机，结构如图3-5所示，包括回热制冷机1和第一级磁制冷机2。

其中，回热制冷机1为双级4K脉管制冷机，由顶法兰13、第一级脉管子单元11与末级脉管子单元12组成，其中第一级脉管子单元11包括第一级脉管111，第一级回热器112和第一级冷头113，末级脉管子单元12包括末级脉管121，末级回热器122和末级冷头123，在末级回热器122上装有剩余冷头1240，剩余冷头1240包含一个剩余冷头，即第一剩余冷头1241。

第一级磁制冷机2包括第一级热开关211、第一级吸附器211a、第一级制冷盐212、第一级超导磁体213，所述第一级热开关211一端连接第一级吸附器211a，另一端连接第一级制冷盐212，第一级制冷盐212置于第一级超导磁体213内。

双级4K脉管制冷机的末级脉管子单元外设有第一辐射屏31，第一级磁制冷机2外设有第二级辐射屏32，第二辐射屏32与第一剩余冷头1241相连。同样地，可在每个冷头上都设置辐射屏。双级4K脉管制冷机的末级冷头123通过末端热桥123a与第一级热开关211相连，第一剩余冷头1241通过第一剩余冷头热桥1241a与第一级超导磁体213相连，第一级冷头113通过第一级冷头热桥113a与第一辐射屏31相连。第一热开关的吸附器211a与第一剩余冷头1241通过第一剩余冷头热桥1241a连接。

图3的制冷机要置于真空腔里，如图4所示。33为真空腔，331为连接制冷机1与真空腔的波纹管，其作用是进一步隔离制冷机与系统以减小振动。也可不加波纹管，从而使结构简单。为了进一步减低辐射对磁制冷机最低温度的影响，可用在末端冷头加末级辐射屏34，将热开关211与制冷盐212罩住。末级辐射屏34与末级冷头123通过末级冷头热桥123a相连，从超导磁体213内穿过，罩住制冷盐212与热开关211。

工作时，第一辐射屏31与第二级辐射屏32被冷却到约60K与4.2K，第一级磁制冷机的环境温度约2.2K。第一级制冷盐212是一种顺磁盐，磁场强度增强则放热或温度升高，减小则吸热或温度降低。

这种做法的优点是第一磁致冷机的环境温度可以是末端冷头123的温度，制冷机在这个温度下的制冷量很小，而磁制冷机本身不需要大的预冷冷量。超导磁体与其电流引线辐射屏吸附器则需要大的冷量冷却，可由第一剩余冷头1241提供。

同时，磁制冷机的各种引线可与第一剩余冷头1241贴合，其从高温的导热和漏热传导到第一剩余冷头1241，从而降低末级冷头123的热负荷。一部分需要与制冷盐相连的引线则进一步与末级冷头123贴合，则可进一步缩小温差，降低漏热。

本实施例中采用的实施例1所述复合热开关，第一级热开关211是气体热开关，气体热开关的上下两端有距离很近的金属板(上法兰2111和下法兰2115)，靠其内夹的氦气导热。具体结构包括上法兰2111、下法兰2115，以及位于上下法兰之间的复合热开关筒，复合热开关筒包括内筒2112、外筒2114和中间筒(中间筒可以由多个层层嵌套的筒组成，本实施例中以一级中间筒第一中间筒2113a为例)，其中内筒2112与上法兰2111连接，外筒2114与下法兰2115连接，第一中间筒2113a两端分别连接内筒2112、外筒2114，使复合热开关筒的内腔体的截面呈折叠状，目的在于加长上法兰2111与下法兰2115之间的距离，从而降低导热系数。

复合热开关筒内腔体与第一级吸附器211a连通。吸附器内充有活性炭或其他吸附材料。活性炭付有加热装置。第一级热开关211断开时上下两端几乎绝热，接通时导热系数很大，上下两端温差很小。当第一级吸附器211a被加热时，其内的活性炭释放氦气，第一热开关211内腔体充满氦气，其内的金属板即上下法兰的翅片通过气体导热而导热；当第一级吸附器211a不加热时，其内的活性炭被冷却，吸收氦气，第一热开关211内氦气被抽走，其内的金属板间几乎真空而不导热。

上述复合磁制冷机的循环如下：

(1)第一级热开关211保持断开状态(即不导热)，第一级超导磁体213升高电流加高磁场强度，第一级制冷盐212温度升高；

(2)第一级制冷盐212温度到达末端冷头123温度后，第一级热开关211打开，呈开的状态(即导热)，继续加大电流，加大第一级超导磁体213磁场强度，第一级制冷盐212产生热量通过末端热桥123a对末端冷头123放热；

(3)第一级热开关211断开，减小电流，减小第一级超导磁体213磁场强度，第一级制冷盐212温度降低，

(4)第一级制冷盐212温度到达制冷温度后，第一级热开关211继续断开状态，继续减小电流，减小第一级超导磁体213磁场强度，第一级制冷盐212吸热产生制冷量。

不同的制冷盐，不同的磁场强度决定了第一级制冷盐212的制冷温度，一般可以到1-0.1K以下。

上述磁制冷机可以为单级或多级结构，所述的回热式制冷机为二级或以上脉管制冷机或GM制冷机。

如果所述的回热式制冷机没有剩余冷头，则所有的热负荷都由末端冷头承担。

当热开关工作温度高时，充放的气体可以是其他气体。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合筒热开关，包括上法兰、下法兰和热开关筒，其特征在于，所述的热开关筒包括内筒、外筒和中间筒，其中内筒与上法兰连接，外筒与下法兰连接，中间筒两端分别连接内筒和外筒，相邻筒首尾连接，构成折叠式结构，内筒、外筒和中间筒都是外壁。

2.根据权利要求1所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的中间筒由多个层层嵌套的筒组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的中间筒的数量为1-10个，其中第一中间筒套在内筒外侧，其底部与内筒底部连接，顶部与其外侧套设的第二中间筒套顶部连接，最后一个中间筒顶部与外筒顶部连接。

4.根据权利要求1所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的上法兰设有向下延伸的多个翅片a，下法兰上设有向上延伸的多个翅片b，翅片a与翅片b交错设置，且翅片a和翅片b的长度均小于上下法兰之间的间距。

5.根据权利要求1所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的上法兰、下法兰和热开关筒之间构成一个密闭腔体，该密闭腔体可充放氦气。

6.根据权利要求5所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的复合筒热开关用于制冷机，复合热开关筒的密闭腔体与吸附器连通。

7.根据权利要求6所述的一种复合筒热开关，其特征在于，吸附器与冷头相连接，当吸附器被加热，释放氦气，复合热开关筒内腔体内充满氦气，上下法兰通过氦气导热，为热开状态；

当吸附器停止加热，吸附器温度降低，吸附器吸收氦气，复合热开关筒内腔体内的氦气被吸附器吸走后为真空，上下法兰处于热绝缘状态，为热关状态。

8.根据权利要求6所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的制冷机为回热式制冷机与磁制冷机耦合的复合制冷机，热开关连接回热式制冷机的末级冷头和磁制冷机的制冷材料。

9.根据权利要求8所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的磁制冷机为多级结构。

10.根据权利要求8所述的一种复合筒热开关，其特征在于，所述的回热式制冷机为脉管制冷机或GM制冷机。

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