CN209399835U - 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、固定件和伸缩件，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随温度进行变化的工作介质，通过所述工作介质在所述第一腔体内发生膨胀或收缩，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。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结构不紧凑的技术问题之一。

(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、固定件和伸缩件，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随温度进行变化的工作介质，通过所述工作介质在所述第一腔体内发生膨胀或收缩，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，所述移动件与所述固定件为直接接触连接；或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。

其中，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，在所述移动件的下表面构造有朝所述固定件方向进行延伸的第一凸部，所述第一凸部为多个，在所述固定件的上表面构造有朝所述移动件方向进行延伸的第二凸部，所述第二凸部为多个，其中，每相邻的两个所述第一凸部之间设有一个所述第二凸部。

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；或所述连通孔使得所述第二腔体与外界连通。

其中，所述伸缩件位于所述环形腔体的外侧，所述第二腔体位于所述第一腔体内；或所述伸缩件位于所述环形腔体的内侧，所述第一腔体位于所述第二腔体内。

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。

其中，所述热开关还包括第三延伸件，所述第三延伸件包括设置在所述第二固定件的下表面并朝所述固定件方向进行延伸的环形部和设置在所述环形部的下开口边沿并朝所述环形部的中心线方向进行延伸的水平止挡部，所述环形部、所述水平止挡部以及所述第二固定件共同形成第一空间，所述移动件设置在所述第一空间内，所述移动件能随第一延伸件在所述第一空间内进行上下往复运动，所述移动件的两端能搭接在所述水平止挡部的上表面。

(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：

通过在移动件上设置热源，在固定件上设置冷源，然后向第一腔体内充装工作介质，利用工作介质的膨胀和收缩带动移动件向上进行移动，该移动件的纵向位移量较大，热开关导通时依靠移动件与固定件之间的接触面的导热作用进行传热，传热稳定性高，导通传热热阻较小。热开关断开时，移动件与热源之间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。

附图说明

图1为本申请的第一实施例的热开关的整体结构示意图；

图2为本申请的第二实施例的热开关的整体结构示意图；

图3为本申请的第三实施例的热开关的整体结构示意图；

图4为本申请的第四实施例的热开关的整体结构示意图；

图5为图4中的绝热支撑结构的整体结构示意图；

图6为本申请的第五实施例的热开关的整体结构示意图。

图中，1：热开关；11：移动件；111：第一延伸件；12：固定件；121：第二延伸件；13：伸缩件；14：第一腔体；15：第二腔体；151：连通孔；16：支撑件；17：第二固定件；171：第三延伸件；2：热源；3：冷源。

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，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。

图1示出本实用新型第一实施例热开关1的结构示意图，包括移动件11、固定件12和伸缩件13。

在本申请的实施例中，移动件11朝向热源2设置，在该固定件12上安装有冷源3，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内充装有随温度进行变化的工作介质，通过该工作介质在该第一腔体14内发生膨胀或收缩，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2的接通和断开。还需要说明的是，该移动件11上也可设置冷源3，固定件12上也可设置热源2。

具体地，通过在移动件11上设置热源2，在固定件12上设置冷源3，然后向第一腔体14内充装工作介质，利用工作介质的膨胀和收缩带动移动件11向上进行移动，该移动件11的纵向位移量较大，热开关1导通时依靠移动件11与固定件12之间的接触面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2之间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1获得很大的开关比。

移动件11与固定件12之间可以为直接接触连接，也可以在移动件11或固定件12上设置延伸件13，或者移动件11和固定件12上均设置延伸件13，其中，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。

通过设置延伸件13，能够延长热开关1的长度，便于热源2和冷源3在相隔较远的距离时进行传热布置。

此外，通过适当地增大移动件11与固定件12之间的接触面积，从而可以有效地减小移动件11与固定件12之间的传热热阻。延伸件13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与其相接触的件能够更好地接触。移动件11、固定件12以及延伸件13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制成。

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，沿着接触表面发生滑动。

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121设置为圆筒状，第一延伸件111的外侧圆柱面与第二延伸件121的内侧圆柱面紧密配合，该第一延伸件111能够在第二延伸件121内进行自由滑动，通过第一延伸件111与第二延伸件121相互接触的圆柱面便能够实现热量的传导。

在一个优选的实施例中，该第一延伸件111与第二延伸件121之间

如图1、2、4以及6所示，在一个实施例中，在该移动件11的下表面构造有朝该固定件12方向进行延伸的凸部，在该固定件12的上表面构造有开口朝向该移动件11的环形腔体，其中，该凸部插入到该环形腔体内并能相对该环形腔体的纵向进行伸出和回缩运动。

如图3所示，在另一个实施例中，在该移动件11的下表面构造有朝该固定件12方向进行延伸的第一凸部，该第一凸部为多个，在该固定件12的上表面构造有朝该移动件11方向进行延伸的第二凸部，该第二凸部为多个，其中，每相邻的两个该第一凸部之间设有一个该第二凸部。

如图1所示，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，本实施例中在第二延伸件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之间更加顺畅地发生相对滑动。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)，达到相同或者更好的连通效果。

热开关1的第一腔体14内充入的工作介质在工作温区内为气态或者气液两相状态，可以根据具体工作温区要求选择气体种类，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。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。当工作介质在热开关1工作温区为气液两相的状态时，液态工作介质可以依靠重力作用或者毛细作用进行回流，液体在温度较高的部位发生蒸发，产生的气体流到温度较低的部位发生凝结，移动件11与固定件12之间借助工作介质的气液相变和循环流动来达到增强传热的效果。

本实施例中的热开关1存在多种工作模式，固定件12可以与热源2连接，也可以与冷源3连接，伸缩件13的初始状态可以为伸长状态，也可以为收缩状态。例如，可以将固定件12与热源2连接，热开关1在工作温区内的初始状态为伸长状态，使移动件11与冷源3接触，此时，热开关1为导通状态。

热源2被冷却降温以后，工作介质体积减小，伸缩件13收缩，热开关1处于收缩状态，使移动件11与冷源3分离，即热开关1为断开状态。或者，也可以将固定件12与冷源3连接，热开关1在工作温区内的初始状态为收缩状态，使移动件11与热源2分离，即热开关1为断开状态。当冷源2温度升高时，工作介质体积增大，伸缩件13伸长，使移动件11与热源2接触，即热开关1为导通状态。

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，例如为由橡胶制成的筒状或囊状结构等。

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，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处于膨胀状态，移动件11与热源2紧密接触，固定件12与冷源3连接，此时热开关1处于导通的状态。当冷源3开始工作以后，冷源3温度逐渐降低，与冷源3紧密连接的固定件12温度随之下降，热源2的热量依次通过移动件11、第一延伸件111、第二延伸件121、固定件12向冷源2传递，并且由冷源3带走，热源3温度不断下降。在固定件12温度降低的过程中，伸缩件13内气体温度也逐渐降低，第一腔体14的体积缓缓地收缩，移动件11与热源2之间接触的压力也缓缓地降低，但仍然保持接触。当热源2温度降至工作温区以后，伸缩件13的收缩量也达到预设值，移动件11与热源2彻底分离，此时热开关1处于断开状态。

当冷源3温度升高以后，伸缩件13内的气体体积膨胀，伸缩件13随之膨胀，移动件11重新与热源2接触，从而使热源2与冷源3重新处于导通的状态。

图2为本实用新型第二实施例热开关1的结构示意图，它与第一实施例热开关1的主要结构组成和工作过程基本类似，也包括移动件11、固定件12、伸缩件13，不同之处在于，第一延伸件111与第二延伸件121组成的第二腔体15设置于外侧，伸缩件13的两端分别通过第一延伸件111、第二延伸件121与移动件11和固定件12连接，组成封闭的第一腔体14设置于第二腔体15内部。第一腔体14内同样充有工作介质，随着温度变化，工作介质的体积发生膨胀或收缩，伸缩件13发生伸缩变化，从而使移动件11与固定件12之间发生相对移动，在这个过程中，第一延伸件111与第二延伸件121之间的接触面始终保持相互接触，并且能够顺畅地发生相对滑动。伸缩件13可以设置成筒状结构，也可以设置成整体的囊状结构。

在本实施例中，在第二延伸件121底部设置了连通孔151，与图1所示第一实施例不同，该连通孔151用于使第二腔体15与热开关1的外界连通，第二腔体15与外界始终保持具有相同压力，以便第一延伸件111与第二延伸件121之间更加顺畅地发生相对滑动。也可以在第一延伸件111和/或第二延伸件121上开设至少一个连通孔151或/和连通槽(未示出)，以达到相同或者更好的连通效果。

图3为本实用新型第三实施例热开关1的结构示意图，它与第一实施例热开关1的主要结构组成和工作过程基本类似，也包括移动件11、固定件12、伸缩件13，不同之处在于，在本实施例中设置了多个第一延伸件111和第二延伸件121，每一个第一延伸件111与每一个第二延伸件121交替设置，相邻的第一延伸件111与第二延伸件121相互接触，能够发生相对移动，热量能在移动件11与固定件12之间顺利地进行传递。这样的结构能够大幅度增大移动件11与固定件12之间的传热接触面积，减小移动件11与固定件12之间的传热热阻。

在本实施例中，第一延伸件111和第二延伸件121垂直于运动方向的截面结构可以为环状结构，也可以是条状结构。

图4为本实用新型第四实施例热开关1的结构示意图，除了具有第一实施例的基本结构以外，在它的基础上还增加设置了第二固定件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与冷源3和热源2分别进行连接，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，或其他绝热效果好、强度好的结构形式。

图5为绝热支撑结构的示意图，本实施例中的支撑件16为杆状结构，四个支撑件均匀分布设置于固定件12和第二固定件17之间，不仅能满足强度支撑要求，还能够具有很好的绝热效果，使热开关1具有较大的断开热阻，从而获得很大的开关比。

在本实施例中，第二固定件17和支撑件16不仅可以与第一实施例所示的基本结构结合，也可以与第二实施例、第三实施例或者其他结构形式结合。本实施例的优点是热开关1的接触和分离动作发生在热开关1的内部，移动件11不会频繁地与热源2或冷源3发生接触或分离，避免热源2或冷源3频繁受到作用力。

图6为本实用新型第五实施例热开关1的结构示意图，与图4所示第四实施例的不同之处在于，本实施例还在第二固定件17上设置第三延伸件171，利用第三延伸件171上与第二固定件17的内侧表面方向相反的表面，与移动件11发生接触或者分离，从而使得该热开关1实现相反方向的通断模式。

下面以工作于低温温区的热开关1为例，对本实施例的其中一种工作模式的工作过程进行说明，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处于膨胀状态，移动件11不与第三延伸件171直接接触，固定件12与冷源3连接，此时，热开关1处于断开的状态。当冷源3开始工作以后，冷源3的温度逐渐降低，与冷源3紧密连接的固定件12的温度也随之下降，伸缩件13内的气体温度也逐渐降低，第一腔体14的体积缓缓地收缩，移动件11与第三延伸件171之间的距离逐渐缩小。

当冷源3的温度降至工作温区以后，伸缩件13的收缩量也达到预设值，移动件11与第三延伸件171接触，此时，热开关1处于导通状态，热源2的热量依次通过第二固定件17、第三延伸件171、移动件11、第一延伸件111、第二延伸件121、固定件12向冷源2传递，并且由冷源3带走，热源3的温度不断下降。当热源2的温度降至需要的低温条件时，可以关闭冷源3或者通过主动控制升高冷源3的温度，当冷源3的温度升高以后，伸缩件13内的工作介质的体积膨胀，伸缩件13随之膨胀，移动件11重新与第三延伸件171断开，从而使热源2与冷源3重新处于断开的状态。

在以上几个实施例中，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。

综上所述，利用工作介质的膨胀和收缩带动移动件11发生移动，移动件11位移量较大，能够使热开关1获得很大的开关比，而且结构简单，加工工艺要求较低。采用延伸件连接移动件11和固定件12时，能够根据实际应用需要延长热开关1的长度，便于在冷却系统中冷源3和热源2相隔较远时进行传热布置，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13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，能够使移动件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 (10)

1.一种热开关，其特征在于，包括：

移动件、固定件和伸缩件，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随温度进行变化的工作介质，通过所述工作介质在所述第一腔体内发生膨胀或收缩，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，所述移动件与所述固定件为直接接触连接；

或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。

3.根据权利要求2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。

4.根据权利要求3所述的热开关，其特征在于，所述第一延伸件与所述第二延伸件为插入式配合。

5.根据权利要求4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。

6.根据权利要求4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第一凸部，所述第一凸部为多个，在所述固定件的上表面构造有朝所述移动件方向进行延伸的第二凸部，所述第二凸部为多个，其中，每相邻的两个所述第一凸部之间设有一个所述第二凸部。

7.根据权利要求5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；或

所述连通孔使得所述第二腔体与外界连通。

8.根据权利要求7所述的热开关，其特征在于，所述伸缩件位于所述环形腔体的外侧，所述第二腔体位于所述第一腔体内；或所述伸缩件位于所述环形腔体的内侧，所述第一腔体位于所述第二腔体内。

9.根据权利要求1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。

10.根据权利要求9所述的热开关，其特征在于，所述热开关还包括第三延伸件，所述第三延伸件包括设置在所述第二固定件的下表面并朝所述固定件方向进行延伸的环形部和设置在所述环形部的下开口边沿并朝所述环形部的中心线方向进行延伸的水平止挡部，所述环形部、所述水平止挡部以及所述第二固定件共同形成第一空间，所述移动件设置在所述第一空间内，所述移动件能随第一延伸件在所述第一空间内进行上下往复运动，所述移动件的两端能搭接在所述水平止挡部的上表面。