一种应用于调控热传输的热开关装置的制作方法

1.本发明属于热控技术领域，具体涉及一种应用于调控热传输的热开关装置。


背景技术：

2.在实际工程中，极端的环境温度会影响机械或电子元器件的有效工作，甚至烧毁电子元器件。同时机械的工作环境一般是变温的，如汽车电池的工作温度不仅随着自身工作时间变化，而且随着季节的更替而发生变化。因此需要热开关进行主动调控，即根据实际需求实现热通路或者热断路。
3.目前的热开关主要有以下三种：气隙式、磁控式以及延长热路径。其主要的特点为均具有较复杂的结构。其中气隙式热开关在工作时需要在密闭结构中注入稀有气体(如氦气等)形成热通路形成热流通路，吸出稀有气体形成热断路。磁控式热开关需要借助电磁铁控制热导体的位置从而形成热通路和热断路。通过延长热路径实现热开关是气隙式热开关的一种改良结果，主要是通过设置翅片将气隙式热开关的真空腔分割为多个联通的腔室，从而将热流的流通路径延长至传统气隙式热开关的3～10倍。总之以往的热开关结构复杂，并且需要稀有气体的注入与吸出(如气隙式热开关)，或者需要外加物理场的调控(如磁控式热开关)。以这些方式为基础设计的热开关在实际应用中会受到一定的限制，如气隙式热开关需要不断进行气体的冲入与吸出，磁控式热开关需要外接电源等。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种应用于调控热传输的热开关装置。
5.本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括第一导体、第二导体和第三导体；所述的第二导体的热导率为κ2，在第二导体中切割出两个半圆孔，两个半圆孔圆心分别选定于第二导体上、下边界处并处于同一竖直线上，两个半圆孔顶点间保留一定间距，上半圆孔的半径为r1，下半圆孔的半径为r2；所述的第一导体的热导率为κ1，κ1＞κ2，第一导体的形状为外径为r1、内径为r1的空心半球，第一导体置于第二导体的上半圆孔中并紧密贴合；所述的第三导体的热导率为κ3，κ3＞κ2，第三导体的形状为外径为r2、内径为r2的空心半球，第三导体置于第二导体的下半圆孔中并紧密贴合；通过第一导体、第三导体与第二导体的紧密接触实现热开关的热通路状态，需要实现热断路状态时将第一导体和第三导体取下。
6.本发明还可以包括：
7.所述的第二导体的上半圆孔、下半圆孔表面涂覆有导热硅胶。
8.本发明的有益效果在于：
9.本发明可以自主地实现热流通路与热流断路并能保证热通路状态下热开关上的温度均匀分布，从而消除因温度分布不均引起热开关中的非均匀热应力。相对于以往的热开关，本发明设计的热开关具有更简单的结构，适用的材料范围更加广泛；更加灵活，可以
在不影响热通路效果的前提下调整热开关的热断路效果。本发明不局限于具体尺寸，可根据实际需求调整热开关的整体尺寸，即从细观到宏观均适用。
附图说明
10.图1为中性夹杂示意图。
11.图2为本发明的热开关装置处于热通路状态结构示意图。
12.图3为本发明的热开关装置处于热断路状态结构示意图。
13.图4为本发明的实施例中热开关装置处于热通路状态的工作效果图。
14.图5为本发明的实施例中热开关装置处于热断路状态的工作效果图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明做进一步描述。
16.本发明属于热控技术领域，提出了一种热开关，该热开关仅需选取符合要求的自然材料即可制作。本发明可以实现热流通路和热流断路，并且实现热通路状态下热开关上的温度均匀分布，从而消除温度分布不均引起热开关中的非均匀热应力。本发明结构简单易于实现，并且所用材料均为自然材料，成本低廉。
17.一种应用于调控热传输的热开关装置，包括第一导体、第二导体和第三导体；所述的第二导体的热导率为κ2，在第二导体中切割出两个半圆孔，两个半圆孔圆心分别选定于第二导体上、下边界处并处于同一竖直线上，两个半圆孔顶点间保留一定间距，上半圆孔的半径为r1，下半圆孔的半径为r2；所述的第一导体的热导率为κ1，κ1＞κ2，第一导体的形状为外径为r1、内径为r1的空心半球，第一导体置于第二导体的上半圆孔中并紧密贴合；所述的第三导体的热导率为κ3，κ3＞κ2，第三导体的形状为外径为r2、内径为r2的空心半球，第三导体置于第二导体的下半圆孔中并紧密贴合；通过第一导体、第三导体与第二导体的紧密接触实现热开关的热通路状态，需要实现热断路状态时将第一导体和第三导体取下。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以自主地实现热流通路与热流断路并能保证热通路状态下热开关上的温度均匀分布，从而消除因温度分布不均引起热开关中的非均匀热应力。相对于以往的热开关，本发明设计的热开关具有更简单的结构，适用的材料范围更加广泛；更加灵活，可以在不影响热通路效果的前提下调整热开关的热断路效果；不局限于具体尺寸，可根据实际需求调整热开关的整体尺寸，即从细观到宏观均适用。
19.实施例1：
20.本实施例以半径相等的两个半圆孔为例。本发明设计的热开关由第一导体和第二导体组成。以中性夹杂思想为基础，在第二导体中切割出圆孔，如附图1所示，根据实际需求选取第一导体的材料并经过实际计算得到第一导体尺寸参数，然后将第一导体安置于第二导体圆孔内。中性夹杂的定义为：当某一夹杂物的有效性能与周围材料的有效性能相同时，周围材料中分布的物理场不会受到扰动，该夹杂就称为中性夹杂。
21.第二导体中的圆孔与周围环境中的空气连通，因此圆孔中的空气不会影响整个热开关的热传递，即默认圆孔不具有热传导性。当第一导体与第二导体上下边缘相切时，第二
导体左右两部分的接触方式为点接触，此时由左至右的热流通主要依靠第一导体(即热通路状态)。当第二导体中无第一导体镶嵌时，此时热流无法自左向右流通(即热断路状态)。应用这种实施方式将导致第二导体左右两部分之间不能保持完整的连接性。因此在制作热开关时设计为第一导体与第二导体上下边缘非相切，即第一导体上边缘与第二导体上边缘存在一定距离。当该距离足够小时(相对于第二导体的高度)，热断路状态下也可以阻止热流的流通。在设计制作热开关的过程中，要充分考虑第一导体左右两部分的连接强度，同时结合圆形夹杂的高度对称性，取圆形中性夹杂的一半即半圆，并将两个半圆形的夹杂分别置于第二导体的上下边缘处(同一竖直线上)即可将第二导体左右连接部分转移至两个半圆中间。两个半圆环间的距离可以根据实际需求进行设计：热断路的效果随着两个圆环间的距离增大而变弱。
22.为了保证设计热开关的灵活性，可以将两个半圆环设定为不同材料，不同材料的圆环所要求的圆环尺寸也不相同。在设计热开关的过程中，首先选定第一导体和第二导体的材料，此处假设第一导体和第二导体的热导率分别为κ1和κ2，然后根据实际需求选定第二导体上开设的圆孔半径r，并进一步确定第一导体空心半球的外径为r，最后第一导体空心半球的内径r可以由计算得到。本发明设计的热开关对于第一导体和第二导体的热导率有一定限制：第一导体热导率κ1必须要高于第二导体热导率κ2，即κ1＞κ2。
23.参见图2，图2为热开关处于热通路状态。本发明设计的热开关由第一导体和第二导体组成。在实施过程中首先选定第二导体材料(热导率为κ2)和尺寸，并在第二导体中切割出两个半径为r的半圆孔，半圆孔圆心选定于第二导体2上下边界处并处于同一竖直线上，根据实际需求将两个半圆孔顶点间保留一定间距；然后选定第一导体1的材料(热导率为κ1)并根据公式计算出第一导体1的内径r；最后通过将第一导体与第二导体紧密接触实现热开关的热通路状态。需要实现热断路状态时仅需将第一导体取下即可，见附图3。其中为了将第一导体与第二导体紧密接触，可在二者界面上涂覆少量导热硅胶，或者应用其他机械手段实现，本发明不限定具体连接方式。
24.按照本实施例制作出的热流开关在热通路和热断路状态下的工作效果参见附图4、附图5。其中黑色曲线3为热流自左向右流经热开关装置时的等温线。在热通路状态下热流能够顺利地流经热开关并且第一导体上的温度均匀分布，见附图4；在热断路状态下热流的流通不仅受到阻碍，而且在第二导体上的温度分布极其不均匀，见附图5。
25.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。