CN209399833U - 一种热开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及制冷及低温技术领域，公开了一种热开关，包括：移动件、固定件、伸缩件和吸附结构，移动件朝向热源设置，在固定件上安装有冷源，伸缩件设置在移动件和固定件之间，伸缩件的两端分别与移动件和固定件连接，伸缩件与移动件和固定件共同形成封闭的第一腔体，在第一腔体内充装有工作介质，吸附结构通过管路与第一腔体连通，在吸附结构的内部填充有能吸附气体的吸附剂，通过吸附剂对第一腔体内的工作介质的吸附和解吸，从而实现对工作介质在第一腔体内的压力的调节，促使伸缩件进行伸出和回缩，通过伸缩件的伸出和回缩，带动移动件与固定件发生相对运动，从而实现移动件与热源的接通和断开。该热开关具有开关比很大的优点。

Description

一种热开关

技术领域

本实用新型涉及制冷及低温技术领域，特别是涉及一种热开关。

背景技术

目前，热开关是指能够控制两个物体之间热接触或热分离的装置。在制冷及低温技术领域中，很多应用场合要求两个部件在不同工作状态下能够分别实现热连接和热分离。例如，随着空间红外探测技术的发展，对机械制冷技术提出更高的寿命和可靠性要求，由于空间制冷机存在不可维修性，需要在同一系统中对空间制冷机进行备份设计，为了降低或消除非工作状态下备份制冷机寄生漏热，需要通过热开关将空间制冷机与被冷却器件连接，利用热开关实现冷量由制冷机向被冷却器件的单向传递。在超导磁体进行低温冷却时，通常采用具有两级结构的低温制冷机，超导磁体与二级冷头连接，由于二级冷头的冷量小、效率低，需要很长时间才能将磁体由室温冷却至最低温度，制冷机一级冷头具有较大的制冷量，可以通过热开关将一级冷头与磁体连接，在磁体温度高于一级冷头温度时，通过一级冷头对磁体进行预冷，当磁体降温至一级冷头以下温度时，使热开关处于断开状态，通过二级冷头继续对磁体进行冷却，从而能够大幅度缩短磁体冷却时间。

常用的热开关主要有机械式、气体间隙式、形状记忆合金式、微膨胀式、热管式等形式的热开关。机械式热开关可靠性较低，而且需要外界驱动力；气体间隙式热开关通过在两个导热片之间充气和抽气来实现通断，需要利用加热和冷却装置控制吸附泵的温度，系统比较复杂，利用气体导热实现连通的导通热阻较大，而且热开关的响应时间受抽气速度影响较大；形状记忆合金式热开关利用温度变化引起记忆合金形状变化，驱动冷热部件连通或断开，结构要求严格对称，对加工精度要求很高；微膨胀式热开关利用不同材料热膨胀系数不同，在温度改变后实现连通或断开，加工精度要求高，长期闭合工作时容易发生冷焊，可靠性较差，而且需要热开关具有足够的长度，使不同材料直接形成较大的收缩、膨胀差异，不能做成短小结构；热管式热开关利用工质气液相变进行正向高效传热、反向断开，通常响应时间很长，导通和断开温度受限于气体工质的三相点温度，只能适用于部分工作温度范围，而且热管式热开关在长度较大时优势明显，在长度较短时断开热阻较小。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种热开关，以至少解决现有技术中的热开关的开关比小、可靠性低、加工精度要求高以及不便于灵活控制的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种热开关，包括：移动件、固定件、伸缩件和吸附结构，所述移动件朝向热源设置，在所述固定件上安装有冷源，所述伸缩件设置在所述移动件和所述固定件之间，所述伸缩件的两端分别与所述移动件和所述固定件连接，所述伸缩件与所述移动件和所述固定件共同形成封闭的第一腔体，在所述第一腔体内充装有工作介质，所述吸附结构通过管路与所述第一腔体连通，在所述吸附结构的内部填充有能吸附气体的吸附剂，通过所述吸附剂对所述第一腔体内的工作介质的吸附和解吸，从而实现对所述工作介质在所述第一腔体内的压力的调节，促使所述伸缩件进行伸出和回缩，通过所述伸缩件的伸出和回缩，带动所述移动件与所述固定件发生相对运动，从而实现所述移动件与热源的接通和断开。

其中，所述吸附结构包括壳体和填充在所述壳体的内部的所述吸附剂。

其中，所述吸附结构还包括设置在所述壳体上的加热器。

其中，所述加热器设置在所述壳体的内部，所述加热器为至少一个，或所述加热器为两个时，多个所述加热器之间通过引线电连接。

其中，在所述壳体上构造有穿线孔，在所述穿线孔的内部安装有绝缘层和/或穿针，其中，所述穿针与所述引线电连接。

其中，所述移动件通过延伸件与所述固定件连接，所述移动件与所述固定件之间至少有一个表面接触并且能够沿着接触的表面发生相互滑动，从而使得所述移动件与所述固定件之间发生相对移动。

其中，所述热开关还包括延伸件，所述延伸件包括第一延伸件和第二延伸件，其中，所述第一延伸件与所述移动件连接，所述第二延伸件与所述固定件连接，所述第一延伸件与所述第二延伸件为插入式配合。

其中，在所述移动件的下表面构造有朝所述固定件方向进行延伸的凸部，在所述固定件的上表面构造有开口朝向所述移动件的环形腔体，其中，所述凸部插入到所述环形腔体内并能相对所述环形腔体的纵向进行伸出和回缩运动。

其中，在所述第一延伸件与所述第二延伸件之间构造有封闭的第二腔体，在所述环形腔体的侧壁上构造有连通孔，所述第一腔体通过所述连通孔与所述第二腔体连通。

其中，所述热开关还包括设置在所述第二腔体内的柔性导热件，所述柔性导热件的第一端与所述凸部的下表面相连接，所述柔性导热件的第二端与所述固定件相连接。

其中，所述热开关还包括第二固定件和支撑件，所述第二固定件朝向所述移动件设置，所述支撑件设置在所述固定件和所述第二固定件之间并位于所述伸缩件的外侧，在所述第二固定件上安装有热源，通过所述移动件与所述第二固定件之间的接触和分离，实现所述移动件与热源的接通和断开。

其中，所述支撑件、所述第二固定件以及所述固定件共同构成内部腔体，在所述支撑件上构造有间隔开的多个开口、缝隙、槽、孔中的其中一种。

(三)有益效果

本实用新型提供的热开关，与现有技术相比，具有如下优点：

通过在本申请中增设吸附结构，在该吸附结构的内部填充有吸附剂，利用吸附剂的吸附作用，能够吸附第一腔体内的气体，调节第一腔体内的工作介质的压力变化并引起工作介质的膨胀和收缩，通过工作介质的膨胀和收缩能够带动移动件发生移动并产生较大的位移量，使热开关获得很大的开关比。

此外，当需要使得移动件与热源相接触时，则通过该吸附结构中的吸附剂对吸附的气体进行解吸，然后将解吸后的气体再次充入到第一腔体中，伸缩件的体积膨胀，即，该伸缩件带动移动件一起朝向热源运动并与热源进行连接，从而使得本申请的热开关重新处于导通的状态，进一步地，继续对热源进行降温。该热开关能够通过吸附结构主动控制热开关的通断状态，控制灵活、方便。

附图说明

图1为本申请的实施例的热开关的整体结构示意图；

图2为图1中的支撑件的整体结构示意图；

图3为图1中的吸附结构的另一实施例的结构示意图。

图中，1：热开关，11：移动件；12：固定件；13：伸缩件；111：第一延伸件；121：第二延伸件；14：第一腔体；15：第二腔体；151：连通孔；152：柔性导热件；16：支撑件；161：内部腔体；162：开口；17：第二固定件；2：吸附结构；21：壳体；22：吸附剂；23：管路；24：加热器；241：引线；242：绝缘层；243：穿针。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的说明或限定，所有涉及对上下、左右进行表述的方式均是针对当前示意图所呈现的设置方位进行的描述。

如图1所示，图中示意性地显示了该热开关1包括移动件11、固定件12、伸缩件13以及吸附结构2。

在本申请的实施例中，该移动件11朝向热源设置，在该固定件12上安装有冷源，该伸缩件13设置在该移动件11和该固定件12之间，该伸缩件13的两端分别与该移动件11和该固定件12连接，该伸缩件13与该移动件11和该固定件12共同形成封闭的第一腔体14，在该第一腔体14内充装有工作介质，该吸附结构2通过管路23与该第一腔体14连通，在该吸附结构2的内部填充有能吸附气体的吸附剂，通过该吸附剂对该第一腔体14内的工作介质的吸附和解吸，从而实现对该工作介质在该第一腔体14内的压力的调节，促使该伸缩件13进行伸出和回缩，通过该伸缩件13的伸出和回缩，带动该移动件11与该固定件12发生相对运动，从而实现该移动件11与热源的接通和断开。

具体地，通过在本申请中增设吸附结构2，在该吸附结构2的内部填充有吸附剂22，利用吸附剂22的吸附作用，能够吸附第一腔体14内的气体，调节第一腔体14内的工作介质的压力变化并引起工作介质的膨胀和收缩，通过工作介质的膨胀和收缩能够带动移动件11发生移动并产生较大的位移量，使热开关1获得很大的开关比。

此外，当需要使得移动件11与热源相接触时，则通过吸附结构2感应外界较高的环境温度，或对吸附结构2加热，升高该吸附结构2中的吸附剂22的温度，对吸附的气体进行解吸，然后将解吸后的气体再次充入到第一腔体14中，伸缩件13的体积膨胀，即，该伸缩件13带动移动件11一起朝向热源运动并与热源进行连接，从而使得本申请的热开关1重新处于导通的状态，进一步地，继续对热源进行降温。

如图1和图3所示，在本申请的一个比较优选的实施例中，该吸附结构2包括壳体21和填充在该壳体21的内部的该吸附剂22。

需要说明的是，该吸附剂22可为多孔隙吸附结构。

在另一个优选的实施例中，该吸附结构2还包括设置在该壳体21上的加热器24。利用加热器24给吸附结构2施加热量，使吸附剂22内吸附的气体发生解吸，解吸出的气体能够通过管路23进入第一腔体14中，从而使得伸缩件13发生膨胀，带动移动件11与热源的接触面发生接触，使热开关1处于导通状态。

吸附结构2的温度降低以后，第一腔体14内的气体通过管路23进入吸附结构2中并被吸附剂22吸附，第一腔体14内的压力降低、伸缩件13收缩，带动移动件11与热源之间热连接过程中的接触面分离，使热开关1处于断开的状态。

固定件11与冷源或热源连接，在工作过程中伸缩件13发生伸缩变化，移动件11与固定件12之间发生相对移动，实现热开关1的导通或者断开。

如图1和图3所示，在本申请的一个比较优选的实施例中，该加热器24设置在该壳体21的外表面并包裹或缠绕在该壳体21的外围，可以使得壳体21内的吸附剂22受热均匀，以利于吸附剂22能够高效、快速地对吸附的气体进行解吸，以将该解吸出的气体输送回第一腔体14内，达到调节伸缩件13的膨胀的目的，进一步地，实现该移动件11与热源之间的接触，完成热开关1的导热。

工作介质在热开关1的工作温区内可以是气体，也可以是气液两相状态，可以根据具体工作温区的要求来选择气体种类，例如工作于80K温区时，可以选择氦气、氖气、氮气或氧气等。工作于30K温区时，可以选择氦气、氖气等，充入的气体可以是单一气体，也可以是几种气体的混合物气体。充入气体压力的大小，需要根据伸缩件13的弹性大小以及伸缩件13伸缩量的要求来进行设计，使热开关1在工作过程中具有适宜的膨胀量或收缩量。

在一个具体的实施例中，该吸附剂22可以是活性炭、分子筛、沸石等。

除了利用吸附结构2对气体的吸附和解吸作用控制第一腔体14内的气体压力的增减，从而使伸缩件13发生伸缩以外，还可以利用温度变化来引起气体的体积发生膨胀或收缩，使伸缩件13发生伸缩变化，带动移动件11与固定件12之间发生相对移动。利用吸附作用和气体的热胀冷缩的作用，使得伸缩件13发生伸缩变化，从而带动移动件11发生移动，移动件11的位移量较大。热开关1导通时，依靠固体表面接触的导热作用进行传热，传热稳定性高，导通传热热阻较小。热开关1断开时，移动件11与热源的接触面彻底发生分离，断开热阻非常大，从而能够使热开关获得很大的开关比。

移动件11与固定件12之间可以直接接触连接，也可以在移动件11或固定件12上设置延伸件，或者移动件11和固定件12上均设置延伸件，与移动件11连接的定义为第一延伸件111，与固定件12连接的定义为第二延伸件121。

在本实施例中，移动件11上设有第一延伸件111，并且固定件12上设有第二延伸件121，第一延伸件111和第二延伸件121之间至少有一个表面接触，在移动件11与固定件12之间发生相对移动时，第一延伸件111和第二延伸件121之间保持接触并沿着接触表面发生滑动。

通过设置延伸件，能够延长热开关1的长度，便于热源和冷源在相隔较远的距离时，仍然可以进行传热布置。此外，该延伸件的设置，还有效地增大了移动件11与固定件12之间的接触面积，减小移动件11与固定件12之间的传热热阻。

另外，延伸件还可以起到定位的作用，防止移动件11在运动过程中发生偏移或倾斜，使移动件11与热源能够更好地接触。移动件11、固定件12以及延伸件均选择导热性能较好的材料制成，例如可以选用紫铜、铝等导热系数较高的金属材料。

在本实施例中，第一延伸件111可以设置为圆柱状，第二延伸件111设置为圆筒状，第一延伸件111的圆柱面与第二延伸件121的内表面紧密配合并能够自由滑动，通过第一延伸件111和第二延伸件121互相接触的圆柱面便能够实现传导热量。

在该第一延伸件111与第二延伸件121之间形成了封闭的第二腔体15，在第二延伸件121的底部设置了连通孔151，使第二腔体15与第一腔体14连通，第二腔体15与第一腔体14之间始终保持具有相同的压力，以便第一延伸件111与第二延伸件121之间能够更加顺畅地发生相对滑动。

此外，还可以在第一延伸件111和/或第二延伸件121上开设至少一个连通孔151和/或连通槽(未示出)，以达到相同或者更好的连通效果。

移动件11与固定件12之间还可以设置柔性导热件152，具体地，该柔性导热件152可设置在第二腔体15内，柔性导热件152能够沿着伸缩件13的伸缩方向发生伸缩，使移动件11与固定件12在发生相对移动时，能够处于热量导通的状态，能够进一步减小传热热阻。

此外，还能用这种方式来延长热开关1的长度，便于冷源和热源在相隔较远的距离时进行传热布置。柔性导热件152与延伸件可以共同设置在热开关1中，也可以单独设置其中一种。

伸缩件13可以是波纹管，还可以是其他具有伸缩功能的结构或材料。

在本实施例中，热开关1还设置有第二固定件17，第二固定件17通过支撑件16与固定件12连接，固定件12和第二固定件17与冷、热源分别连接，通过移动件11与第二固定件17之间的接触和分离，实现热开关1导热作用的通断。支撑件16起固定、支撑和隔热的作用，该支撑件16可选用热导率较低的材料制成，支撑件16可以是条状、杆状、片状或薄圆筒状或其它绝热效果好、强度好的结构形式。

设置第二固定件17和支撑件16的优点是使得热开关1的接触和分离动作均发生在热开关1的内部，移动件11不会频繁地与热源或冷源发生接触或分离，避免热源或冷源频繁受到作用力。

为了减少移动件11或固定件12与其他零件之间的接触热阻，可以在接触面的位置设置铟膜或铟片。

为了降低移动件11与另一个接触件之间的辐射换热量，可以在接触表面进行镀膜处理。

如图2所示，本实施例中的支撑件16为薄圆筒状结构，可以选用不锈钢、钛合金等材质完成制作。

该支撑件16、该第二固定件171以及该固定件12共同构成内部腔体161，在支撑件16上可以开设多个长条状的开口162，使支撑件16在满足强度支撑要求的情况下，减小支撑件16与外界在轴向上的传热面积，增强绝热效果，使热开关1具有较大的断开热阻，从而获得很大的开关比.

另外，通过在支撑件16上设置通气结构，该通气结构可为开口162、缝隙、槽、孔等结构，使支撑件16的内部腔体161能够与热开关1的外界保持连通，还能够在真空环境下进一步地提高热开关1的断开热阻。

如图3所示，该加热器24可以设置在吸附结构2的内部，壳体21上设有引线穿孔，与加热器24连接的引线241通过引线穿孔穿出壳体21，用于与外部导线连接。加热器24设置在吸附结构2的内部，减小了向其他部位的不利漏热，产生的热量能够直接加热吸附剂22，使气体解吸的更加快速、高效。

当吸附结构2中的壳体21为导电材料时，引线241与引线穿孔之间还设有绝缘层242，该绝缘层242的设置，可以起到防止引线发生短路的作用。

另外，还可以在引线穿孔内设置穿针243，通过穿针243使内部的引线241与外部导线导通，便于吸附结构2和加热器24进行装配连接以及更换导线。

在一个实施例中，加热器24可以是加热丝、加热棒、加热带、加热片、加热网或其他具有加热功能的结构或材料。

下面以工作于低温温区的热开关1为例，对本实施例的工作过程进行说明，固定件11与热源连接，第二固定件17、吸附结构2与冷源连接，第一腔体14内充有一定压力的气体，在室温条件下，伸缩件13处于膨胀的状态，移动件11与第二固定件17紧密接触，此时热开关1处于导通的状态。

当冷源开始工作以后，冷源的温度逐渐降低，与冷源紧密连接的第二固定件17和吸附结构2的温度也随之下降，热源的热量依次通过固定件12、柔性导热件15、第二延伸件111、第一延伸件121、移动件11以及第二固定件17向冷源2进行传递，并且由冷源带走，热源3的温度不断下降。

在温度降低的过程中，伸缩件13内的气体温度逐渐降低，体积缓缓地收缩，移动件11与第二固定件17之间接触的压力也缓缓地降低，但仍然保持接触。此时，为了使热开关1继续处于导通状态，可以通过加热器24对吸附结构2进行加热，吸附剂22内的气体发生解吸，气体通过管路23进入第一腔体14，伸缩件13内具有适宜的压力，移动件11与第二固定件17继续保持接触。当热源温度降至工作温区并且达到所需温度以后，停止加热吸附结构2，吸附结构2的温度下降，吸附剂22的吸附能力增强，气体由第一腔体14进入吸附泵，第一腔体14内的压力进一步地降低，伸缩件13进一步地收缩，带动移动件11与第二固定件17发生分离，此时，热开关1处于断开状态。当热源温度升高以后，可以再次加热吸附结构2，吸附剂22内的气体发生解吸，伸缩件13体积膨胀，热开关1重新处于导通状态，从而继续对热源进行降温。

综上所述，通过在本申请中增设吸附结构2，在该吸附结构2的内部填充有吸附剂22，利用吸附剂22的吸附作用，能够吸附第一腔体14内的气体，调节第一腔体14内的工作介质的压力变化并引起工作介质的膨胀和收缩，通过工作介质的膨胀和收缩能够带动移动件11发生移动并产生较大的位移量，使热开关1获得很大的开关比，而且本申请的热开关1的结构也比较简单，加工工艺要求较低，能够通过吸附结构主动控制热开关的通断状态，控制灵活、方便，当采用延伸件和/或柔性导热件152连接移动件11和固定件12时，能够根据实际的应用需要来延长热开关的长度，便于在冷却系统中对冷源和热源在相隔很远时，仍然可以进行传热布置，还能够增大移动件11与固定件12之间的接触面积，减小移动件11与固定件12之间的传热热阻，延伸件还可以起到定位的作用，防止移动件11在运动的过程中发生偏移或倾斜，使移动件11与其接触件能够更好地接触，使热开关1达到更大的开关比。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种热开关，其特征在于，包括：

移动件、固定件、伸缩件和吸附结构，所述移动件朝向热源设置，在所述固定件上安装有冷源，所述伸缩件设置在所述移动件和所述固定件之间，所述伸缩件的两端分别与所述移动件和所述固定件连接，所述伸缩件与所述移动件和所述固定件共同形成封闭的第一腔体，在所述第一腔体内充装有工作介质，所述吸附结构通过管路与所述第一腔体连通，在所述吸附结构的内部填充有能吸附气体的吸附剂，通过所述吸附剂对所述第一腔体内的工作介质的吸附和解吸，从而实现对所述工作介质在所述第一腔体内的压力的调节，促使所述伸缩件进行伸出和回缩，通过所述伸缩件的伸出和回缩，带动所述移动件与所述固定件发生相对运动，从而实现所述移动件与热源的接通和断开。

2.根据权利要求1所述的热开关，其特征在于，所述吸附结构包括壳体和填充在所述壳体的内部的所述吸附剂。

3.根据权利要求2所述的热开关，其特征在于，所述吸附结构还包括设置在所述壳体上的加热器。

4.根据权利要求3所述的热开关，其特征在于，所述加热器设置在所述壳体的内部，所述加热器为至少一个，或所述加热器为至少两个时，多个所述加热器之间通过引线电连接。

5.根据权利要求4所述的热开关，其特征在于，在所述壳体上构造有穿线孔，在所述穿线孔的内部安装有绝缘层和/或穿针，其中，所述穿针与所述引线电连接。

6.根据权利要求1所述的热开关，其特征在于，所述移动件通过延伸件与所述固定件连接，所述移动件与所述固定件之间至少有一个表面接触并且能够沿着接触的表面发生相互滑动，从而使得所述移动件与所述固定件之间发生相对移动。

7.根据权利要求6所述的热开关，其特征在于，所述热开关还包括延伸件，所述延伸件包括第一延伸件和第二延伸件，其中，所述第一延伸件与所述移动件连接，所述第二延伸件与所述固定件连接，所述第一延伸件与所述第二延伸件为插入式配合。

8.根据权利要求7所述的热开关，其特征在于，在所述移动件的下表面构造有朝所述固定件方向进行延伸的凸部，在所述固定件的上表面构造有开口朝向所述移动件的环形腔体，其中，所述凸部插入到所述环形腔体内并能相对所述环形腔体的纵向进行伸出和回缩运动。

9.根据权利要求8所述的热开关，其特征在于，在所述第一延伸件与所述第二延伸件之间构造有封闭的第二腔体，在所述环形腔体的侧壁上构造有连通孔，所述第一腔体通过所述连通孔与所述第二腔体连通。

10.根据权利要求9所述的热开关，其特征在于，所述热开关还包括设置在所述第二腔体内的柔性导热件，所述柔性导热件的第一端与所述凸部的下表面相连接，所述柔性导热件的第二端与所述环形腔体的底壁的上表面连接。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的热开关，其特征在于，所述热开关还包括第二固定件和支撑件，所述第二固定件设置在所述移动件的上方，所述支撑件设置在所述固定件和所述第二固定件之间并位于所述伸缩件的外侧，在所述第二固定件上安装有热源，通过所述移动件与所述第二固定件之间的接触和分离，实现所述移动件与热源的接通和断开。

12.根据权利要求11所述的热开关，其特征在于，所述支撑件、所述第二固定件以及所述固定件共同构成内部腔体，在所述支撑件上构造有间隔开的多个开口、缝隙、槽、孔中的其中一种。