微膨脹型熱開關的製作方法
2023-05-31 02:54:56 1
專利名稱：微膨脹型熱開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及空間機械製冷技術，具體是指一種微膨脹型熱開關，它用於空間機械
製冷系統中的備份技術中。
背景技術：
空間紅外探測技術的飛速發展，要求製冷系統提供更低的溫度和更高的製冷量， 為此機械製冷技術得到了廣泛的應用。但機械制冷機存在運動部件，使其壽命受到限制，由 於空間制冷機存在不可維修性，為了提高製冷系統的可靠性及壽命，需要在同一系統中使 用兩臺甚至多臺制冷機，其中一臺處於工作狀態，而其餘處於備用狀態；當其中一臺出現故 障或壽命終止時，另一臺制冷機便開始工作。 多臺制冷機直接與同一被冷部件相連，在一臺制冷機工作時，其餘制冷機便會帶 來較大的寄生熱載。為此，需要在多臺制冷機與被冷部件之間實現冷量傳遞的單向性，即冷 量只能從工作的制冷機傳向被冷部件，而從被冷部件傳向備份制冷機的漏熱儘可能少，這 就需要單向冷量傳遞的熱開關來實現。因此熱開關設計的關鍵是確保熱開關的導通熱阻盡 量小，斷開熱阻儘量大，同時具有高的可靠性。 目前，單向冷量傳遞的熱開關主要有氣隙式、記憶合金式和雙向移位式，而不同型 式的熱開關有不同的適用範圍。 氣隙式熱開關主要是利用兩導熱片之間的充氣和抽氣來使得整個熱開關兩極之 間的熱導率有幾個數量級的變化，實現熱開關的閉合及斷開功能。這種熱開關由於在低溫 下導熱係數較大，排氣後隔熱能力較強，因此其接觸熱阻較小，而斷開熱阻較大。但它要加 工一個0. Olrnm的縫隙，以目前的工藝水平實現難度較大；同時由於氣體的存在，對裝置的 密封要求較高。氣隙式熱開關主要適用於極低溫環境下，如吸附式製冷，使吸附床交替的與 外界熱源絕熱或傳熱。 記憶合金式熱開關是利用形狀記憶合金的形狀記憶效應進行設計的。見中國專
利02150896. 8，由於其結構要求嚴格對稱，所以加工精度要求很高，否則會導致開關不能
達到性能要求，同時記憶合金的性能的不穩定使得該類型熱開關的可靠性較低。 雙向移位型熱開關是利用材料的熱脹冷縮來實現開關的性能，見中國專利
200710047625. 3，由於該結構設計成兩套支撐和收縮體，使得結構複雜力學穩定性下降，可
靠性較低，重量較重，同時對加工精度和裝配精度要求較高。
發明內容
本發明的目的是提出一種接觸熱阻小、結構簡單緊湊、重量輕和可靠性高的用於 空間機械製冷系統中的微膨脹型熱開關。 本發明的技術方案是利用低溫下線膨脹係數和導熱係數不同的材料，設計成簡 單的結構，保證熱開關性能的高可靠性，實現熱開關在低溫下導通，高溫下斷開的開關動 作。
本發明的微膨脹型熱開關，包括導熱環1、冷平臺2、內筒體3、外筒體4和連接螺 釘5、6。冷平臺2焊接在內筒體3上，導熱環1與外筒體4通過螺釘5連接，冷平臺2與導 熱環1之間有一實現熱開關導通、斷開的間隙，內筒體3和外筒體4通過螺釘6連接。導熱 環1與制冷機的冷指柔性連接，冷平臺2與探測器支撐剛性連接，當制冷機工作時，冷量通 過導熱環1傳導給外筒體4，內筒體3和冷平臺2，使得外筒體4帶動導熱環1向下移動，實 現開關的導通，反之斷開。
本發明的優點是 微膨脹型熱開關的外筒體在導通時起到實現位移的作用、在斷開時起到增大斷開 熱阻的作用；導熱環直接與制冷機的冷指相連，熱傳輸路徑短，導通熱阻小，僅為Cu-Cu之 間的接觸熱阻；該型式的熱開關結構簡單緊湊、重量輕、體積小、可靠性高，可降低制冷機的 工作壓力，減少備份系統的總漏熱量。
圖1熱開關在制冷機備份技術中的應用示意圖。 圖2為熱開關結構示意圖；其中圖a為本發明的熱開關斷開狀態的結構示意圖， 圖b為本發明的熱開關導通狀態的結構示意圖，圖中1_導熱環、2-冷平臺、3-內筒體、 4_外筒體、5和6-連接螺釘。
具體實施例方式
下面結合圖2(a)對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明 見圖2，微膨脹型熱開關為圓柱形主要包括導熱環1、冷平臺2、內筒體3、外筒體
4和連接螺釘5、6。 冷平臺2焊接在內筒體3上，導熱環1與外筒體4通過螺釘5連接，冷平臺2與導 熱環1之間有一實現熱開關導通、斷開的間隙。內筒體3和外筒體4通過螺釘6實連接。
導熱環1和冷平臺2、採用高熱導率的紫銅(T2)材料；內筒體3採用低熱導率、低 溫下小線性膨脹係數、不會低溫冷焊、低密度的超因瓦鋼(4J32)材料；外筒體4採用低溫下 大線性膨脹係數、高彈性係數、高屈服力的鋁合金(LY12)材料； 為了防止低溫冷焊，導熱環l和冷平臺2的接觸面進行碳化處理；為了降低輻射換 熱對熱開關性能的影響，導熱環1和冷平臺2表面進行鍍金拋光處理；內筒體3表面進行鍍 鎳拋光處理；外筒體4表面粘貼鍍鋁薄膜。 其中導熱環1和冷平臺2的間隙0. lmm，接觸面積558. 5mm2 ;內筒體直徑16mm、 厚度0. 15mm、長度39. 3mm ;外筒體直徑20mm、厚度0. 5mm、長度40mm。 圖(a)、圖(b)分別為斷開和導通兩種狀態，導熱環與制冷機冷指柔性連接，冷平 臺與探測器支撐剛性連接。當制冷機工作時，冷量通過導熱環傳導給外筒體、內筒體和冷平 臺，由於內筒體材料的熱膨脹係數比外筒體材料小一個數量級，故相對外筒體而言，可近似 其不收縮，外筒體長度縮短，使得外筒體帶動導熱環向下移動，冷平臺與導熱環接觸，實現 開關的導通；當制冷機停止工作時，溫度升高，外筒體帶動導熱環向上移動，實現熱開關的 斷開。
權利要求
一種微膨脹型熱開關，包括導熱環(1)、冷平臺(2)、內筒體(3)、外筒體(4)，其特徵在於冷平臺(2)通過焊接固定在內筒體(3)上，導熱環(1)與外筒體(4)通過螺釘(5)連接，冷平臺與導熱環之間有一實現熱開關導通、斷開的間隙；導熱環(1)和冷平臺(2)的材料為T2紫銅；內筒體(3)材料為4J32超因瓦鋼；外筒體(4)材料為LY12鋁合金。當制冷機工作時，冷量通過導熱環傳導給外筒體、內筒體和冷平臺，外筒體長度縮短，使得外筒體帶動導熱環向下移動，冷平臺與導熱環接觸，實現開關的導通；當制冷機停止工作時，溫度升高，外筒體帶動導熱環向上移動，實現熱開關的斷開。
2. 根據權利要求1所述的一種微膨脹型熱開關，其特徵在於所述的冷平臺與導熱環 之間的間隙為0. lmm。
全文摘要
本發明公開了一種微膨脹型熱開關，該熱開關包括導熱環、冷平臺、內筒體、外筒體和連接螺釘，導熱環與制冷機的冷指柔性連接，冷平臺與探測器支撐剛性連接。當制冷機工作時，冷量通過導熱環傳導給外筒體、內筒體和冷平臺，使得外筒體帶動導熱環向下移動，實現熱開關的導通，反之斷開。本發明的優點是外筒體在導通時起到實現位移的作用、在斷開時起到增大斷開熱阻的作用；導熱環直接與制冷機的冷指相連，熱傳輸路徑短，導通熱阻小僅為Cu-Cu之間的接觸熱阻；該型式的熱開關結構簡單緊湊，重量輕，體積小，可靠性高，可降低制冷機的工作壓力，減少備份系統的總漏熱量。
文檔編號H01H37/48GK101697332SQ200910197298
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月16日 優先權日2009年10月16日
發明者付立英, 李忠, 沈同俊, 董德平 申請人:中國科學院上海技術物理研究所;