一种对流热开关的制作方法

本发明涉及制冷与低温技术领域，尤其涉及一种对流热开关。

背景技术：

在空间探测、量子技术等前沿领域的发展中，低温制冷技术发挥着不可替代的作用。其中热开关作为低温制冷系统中的关键部件，被广泛研究。

热开关，顾名思义，是控制热量导通或断开的开关，按功能可分为两大类：一类参与控制制冷循环，例如用于绝热退磁制冷机的气隙对流热开关，当磁热材料励磁放热时，热开关导通，将热量传给热沉；当磁热材料去磁制冷时，热开关断开，防止冷量损失。另一类是加速低温设备的冷却，例如在300mk测试平台从室温降到300mk过程中，可采用对流热开关、热管对流热开关等形式的对流热开关加速测试平台降温，大大减少预冷时间。

其中，对流热开关由两根不锈钢管与两侧的铜换热器组成，铜换热器分别连接冷热两端。通过环路内气体自然对流的有无来实现热量的导通/断开。这种结构的对流热开关具有结构简单，没有运动部件，可被动操作而不需要吸附床和相关的热控制等优点。

本领域中，对对流热开关的研究相对较少。1986年，rodneyh.首次提出了双管的对流热开关形式。后来qubic低温接收器(qubiccryogenicreceiver)中采用两个对流热开关对60k以下低温设备进行预冷，部分稀释制冷机里也采用对流热开关，利用吸附级冷头冷量来预冷氦3氦4混合室。对流热开关的基本结构形式如图4所示，包括导热铜块401、不锈钢管402和气体回路403。该种形式的对流热开关虽基本满足了实验要求，但对流换热效果不够好，开关比较低，应用场合有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种对流热开关，其采用弧形流路空间，增强了对流热开关内部对流换热强度，使得对流热开关的开状态热导提高了一倍，开关比相应提高了一倍。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种对流热开关，包括第一导热器、第二导热器、第一连接管和第二连接管，所述第一导热器设有第一弧形内腔，所述第二导热器设有第二弧形内腔和与所述第二弧形内腔连通的充气口，所述充气口用于连接充气系统，所述第一连接管和所述第二连接管均用于连接所述第一导热器和所述第二导热器，且所述第一弧形内腔和所述第二弧形内腔通过所述第一连接管和所述第二连接管导通，所述第一连接管和所述第二连接管间隔设置，所述第一弧形内腔、所述第二弧形内腔、所述第一连接管和所述第二连接管形成对流通道。

优选地，所述第一导热器和所述第二导热器分别为导热铜块。

优选地，所述第一弧形内腔的横截面和所述第二弧形内腔的横截面分别呈圆弧形。

优选地，所述第一导热器上设置有第一连接孔，所述第一连接孔用于与低温系统的冷端连接。

优选地，所述第二导热器上设置有第二连接孔，所述第二连接孔用于与低温系统的热端连接。

优选地，所述充气口设置在所述第二导热器面向所述第一导热器的端面上，且所述充气口位于所述第一连接管与所述第二连接管之间。

优选地，所述充气口连接有充气管。

优选地，所述第一连接管和所述第二连接管分别为不锈钢管。

本发明提供的对流热开关具有以下优点：

第一，通过将第一导热器的内腔和第二导热器的内腔设置成弧形内腔，使得对流热开关的对流通道为弧形流路，弧形流路可以承受更大的气体充注压力，增强了对流热开关内部对流换热强度，而且，弧形流路增强了回流扰动，使得对流热开关的导通状态热导提高了一倍，开关比相应提高了一倍。

第二，本发明的对流热开关结构简单，可被动操作，无需外加热控制，且易于加工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的对流热开关的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的对流热开关的剖面图；

图3是本发明实施例提供的对流热开关的使用状态图；

图4是现有技术的对流热开关的结构示意图。

附图标号说明：

10、第一导热器；11、第一弧形内腔；12、第一连接孔；20、第二导热器；21、第二弧形内腔；22、充气口；23、第二连接孔；30、第一连接管；40、第二连接管；50、充气管；60、充气系统；100、真空罩；201、一级冷头；202、一级冷盘；203、二级冷头；204、二级冷盘；301、测试平台；302、吸附制冷机；303、氦3吸附级冷头；304、铜辫。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图3所示，其为本发明的一种实施例的对流热开关，其改进了现有对流热开关的气体流路结构，采用弧形流路空间，增强了对流热开关内部对流换热强度，使得对流热开关的导通状态热导提高了一倍，开关比相应提高了一倍。

请参阅图1-图3，本发明实施例的对流热开关包括第一导热器10、第二导热器20、第一连接管30和第二连接管40，第一导热器10设有第一弧形内腔11，第二导热器20设有第二弧形内腔21和与第二弧形内腔21连通的充气口22，充气口22用于外接充气系统60，第一连接管30和第二连接管40均用于连接第一导热器10和第二导热器20，且第一弧形内腔11和第二弧形内腔21通过第一连接管30和第二连接管40导通，第一连接管30和第二连接管40间隔设置，第一弧形内腔11、第二弧形内腔21、第一连接管30和第二连接管40形成对流通道，该对流热开关接在低温系统需要加速降温的冷端和热端，通过充气口22接入充气系统60，充气系统60提供氦气给对流热开关，对流热开关在导通时，第二导热器20温度高于第一导热器10温度，第一连接管30内和第二连接管40内的氦气形成密度差，实现自然对流换热，达到热端降温的目的。

可以理解地，充气系统60是外部结构，充气系统60并不局限于提供氦气给对流热开关，还可以提供其它低温气体给对流热开关，例如，氮气、氢气等。

本发明实施例的对流热开关具有以下优点：

第一，本发明实施例的对流热开关通过将第一导热器10的内腔和第二导热器20的内腔设置成弧形内腔，使得对流热开关的对流通道为弧形流路，与传统圆柱形结构相比，弧形流路由于顶部的弧形结构，使得充注气体的冲击力沿弧形顶四散，故可以承受更大的气体充注压力，同时，弧形流路增强了回流扰动，增大了对流热开关内部对流换热强度。因此，本发明实施例的对流热开关与传统的对流热开关(如图4所示的对流热开关)相比，同样尺寸规格下，本发明实施例的对流热开关的导通状态热导提高了一倍，开关比相应提高了一倍。

第二，本发明实施例的对流热开关结构简单，可被动操作，无需外加吸附床结构，无需外加热控制，且易于加工。

可选地，第一导热器10和第二导热器20分别为导热铜块，导热铜块具有优良的导热效果。

可选地，第一弧形内腔11的横截面和第二弧形内腔21的横截面分别呈圆弧形，使得弧形流路顶部形成圆顶形结构，结构设计简单，既便于制造，又能够承受大的气体充注压力。

可选地，第一导热器10上设置有第一连接孔12，用于与低温系统的冷端连接。

具体地，第一连接孔12为螺纹孔。

可选地，第二导热器20上设置有第二连接孔23，用于与低温系统的热端连接。

具体地，第二连接孔23为螺纹孔。

优选地，充气口33设置在第二导热器20面向第一导热器10的端面上，且充气口33位于第一连接管30与第二连接管40之间，这样设计，避免了侧面圆弧面充气的承压不稳定性，且结构简单，便于加工。

可选地，充气口22连接有充气管50，第二导热器20通过充气管50与充气系统60连接。

可选地，第一连接管30和第二连接管40分别为不锈钢管，使得第一连接管30和第二连接管40在热开关断开状态仅有微弱的漏热，且具有优良的支撑强度。

本发明实施例的对流热开关可在不同的气体种类、不同的充注压力、不同的长径比下工作在不同温区，应用广泛。请参阅图3，其给出了对流热开关的具体应用场景之一，假设低温系统由两级gm制冷机与极低温两级吸附制冷机结合构成，两级gm制冷机与极低温两级吸附制冷机位于真空罩100，真空罩100用于提供真空环境。两级gm制冷机包括一级冷头201、一级冷盘202、二级冷头203和二级冷盘204(工作在4k温区)，极低温两级吸附制冷机包括测试平台301(工作在300mk温区)、吸附制冷机302和氦3吸附级冷头303。对流热开关用于gm制冷机的二级冷盘204和测试平台301之间，对流热开关的第一导热器10连接到二级冷盘204，第一导热器10通过铜辫304连接到测试平台301。

在低温系统从室温开始降温的预冷阶段仅靠辐射和有限的导热进行传热，冷却时间较长。测试平台301比二级冷盘204降温慢，对流热开关底端连接的测试平台301温度高于顶端二级冷盘204温度，此时对流热开关导通，第一连接管30和第二连接管40内氦气形成密度差，实现自然对流换热，达到测试平台301加速降温的目的；当对流热开关底部连接的测试平台301低于顶端二级冷盘204温度时，由于冷端温度在下方，对流换热受到抑制，对流热开关断开，此时仅有不锈钢外壳的微弱漏热。满足加速300mk测试平台301降温要求的同时，又不会损失该测试平台301的制冷能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。