一种热开关的制作方法

本发明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。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明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，根据本发明的第一方面，提供一种热开关，包括：移动件、固定件、伸缩件和柔性导热件，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，在所述第一腔体内还安装有所述柔性导热件，所述柔性导热件的两端分别与所述移动件和所述固定件连接，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，同时，使得所述柔性导热件随所述伸缩件进行伸出和回缩，从而实现所述移动件与热源的接通和断开。

其中，所述柔性导热件包括柔性毛细结构。

其中，所述柔性毛细结构包括柔性束状毛细结构、网状毛细结构、缝隙状毛细结构、孔隙状毛细结构中的至少其中一种。

其中，所述热开关还包括过渡毛细结构，所述过渡毛细结构设置在所述柔性导热件与所述移动件之间，和/或所述过渡毛细结构设置在所述柔性导热件与所述固定件之间。

其中，所述过渡毛细结构包括微槽、丝网、烧结毡、烧结粉末、泡沫金属中的至少其中一种。

其中，所述热开关还包括设置在所述移动件的上方的第二固定件，所述第二固定件通过支撑件与所述固定件连接，其中，在所述第二固定件上安装有热源，所述移动件朝所述第二固定件方向进行伸出和回缩运动，从而实现所述移动件与热源的接通和断开。

其中，所述热开关还包括设置在所述移动件上的第一延伸件和设置在所述固定件上的第二延伸件，所述柔性导热件通过所述第一延伸件与所述移动件连接，和/或所述柔性导热件通过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凹凸配合，在所述第一延伸件和所述第二延伸件之间构造有第二腔体，所述第二腔体通过设置在所述第一延伸件和/或所述第二延伸件上的连通孔与所述第一腔体连通；或所述连通孔使得所述第二腔体与外界连通。

其中，所述柔性导热件包括导热索、导热带或导热片。

根据本申请的第二方面，还提供一种热开关，包括：移动件、固定件和伸缩件，所述移动件朝向冷源设置，在所述固定件上安装有热源，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，所述工作介质在所述热开关工作温区为气液两相状态，所述热开关工作时，所述冷源位置高于所述热源位置，使得液体工质能够依靠重力作用由所述冷源向所述热源流动，通过所述工作介质发生气液相变实现所述移动件与所述固定件之间的热量传递，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冷源的接通和断开。

(三)有益效果

本发明提供的热开关，与现有技术相比，具有如下优点：

通过将移动件朝向热源设置，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热源之间的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为图2中的绝热支撑结构的整体结构示意图；

图4为本申请的第三实施例的热开关的整体结构示意图；

图5为本申请的第四实施例的热开关的整体结构示意图；

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：柔性导热件；151：过渡毛细结构；16：支撑件；17：第二固定件；18：第二腔体；181：连通孔；2：热源；3：冷源。

具体实施方式

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

在本发明的描述中，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发明中的具体含义。

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包括移动件11、固定件12、伸缩件13以及柔性导热件15。

在本申请的实施例中，该移动件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内还安装有该柔性导热件15，该柔性导热件15的两端分别与该移动件11和该固定件12连接，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，同时，使得该柔性导热件15随该伸缩件13进行伸出和回缩，从而实现该移动件11与热源2的接通和断开。

具体地，通过将移动件11朝向热源2设置，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与热源2之间的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。

此外，通过增设该柔性导热件15，移动件11与固定件12通过柔性导热件15连接，柔性导热件15设置在伸缩件13的内部，能够沿着伸缩件13的伸缩方向发生柔性伸缩，同时，始终保持移动件11与固定件12处于热量导通的状态，使移动件11与固定件12之间既能发生相对移动，又能使热量在移动件11与固定件12之间进行高效地传递。此外，该柔性导热件15还能延长热开关1的长度，便于冷源3和热源2在相隔距离较远的情况下，仍然可以进行传热布置。

需要说明的是，可以根据热开关1的长度要求来对柔性导热件15的长度进行设计，柔性导热件15优选地选用热导率较高的材料制成，例如，可以采用紫铜材料制成导热索、导热带、导热片或其他柔性导热结构。

还需要说明的是，该移动件11也可朝向冷源3设置，在该固定件12上也可设置热源2。

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，也可以是由几种气体相混合后的气体混合物。

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的伸缩量要求进行设计，使热开关1在工作过程中具有适宜的膨胀量或收缩量。另外，还可以设置弹簧等弹性结构，用于调节和平衡伸缩件13的弹力与第一腔体内的压力，使伸缩件13具有适宜的长度或伸缩量。

如图1、图2、图4和图5所示，当工作介质在热开关1的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进行高效传热。

当工作介质在热开关1工作温区为气液两相的状态时，可以用柔性毛细结构作为柔性导热件15，以用于连接移动件11和固定件12，利用柔性毛细结构的毛细作用实现液体的回流，该柔性导热件15同时具有传递热量、柔性连接以及促进液体回流的作用。

在本实施例中，该第一腔体14内的液体在温度较高的移动件11的表面会发生蒸发，产生的气体流到温度较低的固定件12的表面并发生凝结，凝结的液体工质再沿着具有柔性毛细结构的柔性导热件15重新流回到温度较高的部位，借助工作介质的气液相变和循环流动，使得移动件11与固定件12之间能够大幅度提高传热效果。

如图1、图2、图4和图5所示，在一个优选的实施例中，该热开关1还包括过渡毛细结构151，该过渡毛细结构151设置在该移动件11的下表面和/或该固定件12的上表面，即靠近柔性导热件15一侧的表面，该过渡毛细结构151与该移动件11和/或固定件12的接触表面紧密接触。

在另一个具体的实施例中，该柔性导热件15为多个并呈间隔式设置。

该过渡毛细结构151为片状结构，该柔性导热件15的末端伸入该过渡毛细结构151内部，并且与过渡毛细结构151紧密接触。

具体地，利用过渡毛细结构151增大温度较高的移动件11的蒸发面积、增大温度较低的固定件12的凝结面积。此外，过渡毛细结构151在液体流动过程中还起到桥接的作用，使固定件12的表面凝结的液体沿着过渡毛细结构151能够顺利地流入到柔性毛细结构的内部，然后，再流到移动件11表面的过渡毛细结构151中，从而使得工作介质延伸到更大的面积空间后，再蒸发为气体。

在本实施例中，作为优选的技术方案，柔性毛细结构选用浸润性好、孔隙率大、毛细力大的材料制成，用于输送液体、促进液体回流，柔性导热件15不局限于毛细结构，其只需选用导热好、满足柔性要求的材料制成即可。

在另一个实施例中，至少设置柔性导热件15和柔性毛细结构中的其中一种。具体地，当热开关1只包括柔性导热件15时，工作介质在工作温区可以是气态或气液两相状态，主要利用气体的收缩膨胀或气液相变产生的收缩膨胀作用来实现热开关1的通断，工作介质传递热量的作用相对较小，当存在蒸发位置低、冷凝位置高的重力辅助状态时，气液两相状态的工作介质能够大幅度增强传热效果。

当热开关1只包括柔性毛细结构时，工作介质在工作温区为气液两相状态，能够利用毛细结构使液体回流，通过工质气液相变实现高效传热。

热开关1中的第一腔体14上设置有充装口(未示出)，充装口设置在伸缩件13或移动件11或固定件12上，用于充注工作介质。第一腔体14内填充的工作介质在热开关1的工作温区内可以是气体，也可以是气液两相状态。充装工作介质以前，通过充装口使第一腔体14与外界连通，充装工作介质以后，将充装口密封，使第一腔体14处于封闭状态。

移动件11、固定件12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。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，例如可以是由橡胶制成筒状或囊状结构等。

柔性毛细结构可以是具有柔性的束状、网状、缝隙、孔隙等形式的毛细结构中的至少一种形式，例如编织绳、丝网、金属毡、纤维束等。过渡毛细结构151可以为微槽、丝网、烧结毡、烧结粉末、泡沫金属等毛细结构中的至少一种结构。

本实施例热开关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。

热源2温度升高以后，工作介质体积增大，伸缩件13伸长，使移动件11与冷源3连接，即热开关1处于导通状态，热源2的热量不断向冷源2传递，从而达到给冷源3进行加热或给热源2降温冷却的目的。

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伸长状态，使移动件11与热源2连接，即热开关1为导通状态。随着冷源3温度的不断降低，工作介质体积收缩，伸缩件13缩短，热源2的热量继续不断地向冷源3传递，当冷源3降低到预设温度以后，伸缩件13的收缩量达到预设值，使移动件11与热源2断开，即热开关1为断开状态。

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，热源2的热量依次通过移动件11、柔性导热件15、固定件12向冷源3传递，并且由冷源3带走，热源2的温度不断下降。在固定件12的温度降低的过程中，伸缩件13内的气体温度也逐渐降低，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与热源2彻底分离，此时，热开关1处于断开状态。当冷源3的温度升高以后，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为本发明第二实施例热开关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与冷源3连接，第二固定件17与热源2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、支撑和隔热作用，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。

图3为一种实施例绝热支撑结构示意图，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，也可以与图4至图6所示几个实施例或其他结构形式的热开关1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4为本发明第三实施例热开关1的结构示意图，它与图1所示第一实施例的热开关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、柔性导热件15，不同之处在于，在该移动件11上设有第一延伸件111，在该固定件12上设有第二延伸件121，该第一延伸件111与第二延伸件121之间为凹凸配合。

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。该第一延伸件111和第二延伸件121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与其接触件更好地接触。

此外，通过设置该第一延伸件111和得让延伸件121，从而能够延长热开关1的长度，便于冷源3和热源2在相隔较远的距离时进行传热布置。

此外，该第一延伸件111和第二延伸件121的设置，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。移动件11、固定件12、第一延伸件111和第二延伸件121均选择由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。

在一个优选的实施例中，该第一延伸件111构造为朝该固定件方向进行延伸的凸部，第二延伸件121构造为从该固定件12的上表面并朝该移动件11的方向进行延伸的环形腔体，该环形腔体的开口朝向凸部，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。

在本实施例中，第一延伸件111与第二延伸件121组成的第二腔体18设置于伸缩件13的外侧，第一延伸件111和第二延伸件121的形状均可以为圆筒状，伸缩件13的两端分别与移动件11和固定件12连接，或者也可以通过第一延伸件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并设置于第二腔体18内部。

第一腔体14内充有工作介质，随着温度变化，工作介质的体积发生膨胀或收缩，伸缩件13和柔性导热件15随之发生伸缩变化，移动件11与固定件12之间发生相对移动，在此过程中，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。

在本实施例中，在第二延伸件121底部设置了连通孔181，该连通孔181用于使第二腔体18与热开关1的外界连通，第二腔体18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181或/和连通槽(未示出)，以达到相同或者更好的连通效果。

图5为本发明第四实施例热开关的结构示意图，它与图4所示第三实施例热开关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、柔性导热件15，不同之处在于，在第四实施例中，第一延伸件111、第二延伸件121、第二腔体18设置于第一腔体14内部，柔性导热件15的两端分别与第一延伸件111和固定件12连接，第一延伸件111、第二延伸件121和柔性导热件15均能够起到降低移动件11与固定件12之间的传热热阻的作用，保证移动件11与固定件12之间能够顺利地移动。

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，通过接触的圆柱面能够传导热量。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18，本实施例中在第二延伸件121的底部设置了连通孔181，与第三实施例不同，该连通孔181的设置，使得第二腔体18与第一腔体14连通，第二腔体18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。同样地，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181或/和连通槽(未示出)，达到相同或者更好的连通效果。

如图6所示，根据本申请的第二方面，该实施例与图1所示的第一实施例的热开关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，在该实施例中并未设置柔性导热件15，工作介质在热开关1的工作温区内需要为气液两相状态，热源2的位置需要低于冷源3的位置，优选地，热源2设置于下方，冷源3设置于上方，需要借助重力的作用实现液体回流，液体在温度较高的固定件12的表面发生蒸发，产生的气体流到温度较低的移动件11的表面发生凝结，液态工作介质依靠自身的重力作用进行回流，借助工作介质的气液相变和循环流动实现移动件11与固定件12之间的高效传热，利用工作介质在温度变化时发生的收缩或膨胀，实现热开关1的通断。

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的位移量较大，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。采用柔性导热件15连接固定件12和移动件11，能够使移动件11与固定件12在保持连通的状态下发生相对移动，便于热量顺利地进行传递，还能够延长热开关1的长度，便于冷源3和热源2在相隔较远时进行传热布置，当采用柔性毛细结构，工作介质为气液两相状态时，还能起到促进液体回流、加强传热的作用。通过设置第一延伸件111和第二延伸件121，从而能够起到定位的作用，有效地防止移动件11在运动的过程中发生偏移或倾斜，还能够延长热开关1的长度、增大移动件11与固定件12之间的接触面积。因此，本发明提出的热开关1能够获得很高的开关比。

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