CN105304409A - 一种基于负热膨胀的热开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于负热膨胀的热开关，包括：负热膨胀元件和导热元件，其中，所述负热膨胀元件由负热膨胀材料制成，所述负热膨胀元件与所述导热元件相连，所述负热膨胀元件在温度高于预设阈值时，所述导热元件与所述热负载断开，所述负热膨胀元件在低于预设阈值时，所述导热元件与所述热负载闭合。本发明的基于负热膨胀的热开关，结构简单，仅有两个部件。热开关运行行程大，较大行程带来的较大间隙可减小间隙两端面之间的角系数，减少辐射传热，增大断开热阻。
Description
技术领域
本发明涉及热流通路控制技术领域，特别涉及一种基于负热膨胀的热开关。
背景技术
目前，斯特林制冷机等机械式制冷机已经成为提供空间大制冷量低温环境的最佳手段。一般情况下，斯特林制冷机的压缩机和膨胀机分别以直线电机推动振子，沿轴向做一定频率的高速往复直线运动。这样，制冷机运行时，将会沿轴向产生较大的振动，这种振动传到安装于制冷机冷头上的焦平面探测器，从而影响焦平面的成像效果。为了减小制冷振动，提出了一种复合制冷系统，利用主被动式制冷系统交替为红外探测器提供冷量。在主被动制冷方式切换时，需断开/闭合其热流通路。另外，为延长制冷机使用寿命，人们利用多台制冷机对同一冷却平台输出冷量来实现要求。例如，正常情况下，使用一台机械制冷机为主制冷机，另外一台为备份机。当主机出现故障时，使用备份机。这时，需要在制冷机和冷却平台之间的热流通路上设置热开关，以减少未被使用的制冷机和冷却平台之间不必要的传热。
现有热开关中，双金属片驱动热开关结构较复杂，断开和闭合热阻的比值在300左右，在使用过程中出现过冷焊现象。记忆合金型热开关利用记忆合金提供热开关闭合力，其结构较复杂，断开热阻和闭合热阻的比值较大。气隙式热开关传热机理是将气体充满热开关缝隙，断开机理是将缝隙内气体用泵抽出，其体积较大，结构较复杂，主要用于极低温领域。微膨胀型热开关利用两种具有不同正热膨胀系数的材料制成热开关，由3个或3个以上部分组成，断开热阻和闭合热阻比值较大，但热开关间隙值在0.1mm-0.4mm之间，较小的间隙增大了两端面之间的辐射换热。另外，微膨胀型热开关中间支撑柱在断开状态下仍连接热开关两端，形成一个热流通路，减小了断开热阻。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种基于负热膨胀的热开关，通过使用负热膨胀材料的热缩冷胀特性来实现热开关的断开与闭合，其构成只包含两个部件，结构简单，制作方便。
针对上述目的，本发明提供一种基于负热膨胀的热开关，其特征在于，包括：负热膨胀元件和导热元件，其中，所述负热膨胀元件由负热膨胀材料制成，所述负热膨胀元件与所述导热元件相连，所述负热膨胀元件在温度高于预设阈值时，所述导热元件与所述热负载断开，所述负热膨胀元件在低于预设阈值时，所述导热元件与所述热负载闭合。
其中，负热膨胀元件在设定的温度范围内热缩冷胀，所述负热膨胀元件高温收缩至预设的第一长度时，所述导热元件与所述热负载断开，负热膨胀元件低温膨胀至预设的第二长度时，所述导热元件与所述热负载闭合。
其中，所述导热元件采用高热导率材料制成。
其中，所述导热元件由铜、金、银中的任一种制成。。
本发明提供一种基于负热膨胀的热开关，通过使用负热膨胀材料的热缩冷胀特定来实现热开关的断开与闭合，热开关的结构简单，且运行行程大，较大行程带来的较大间隙可减小热开关间隙两端面之间角系数，从而减少辐射传热，增大断开热阻。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例的负热膨胀型热开关示意图。
图2为在制冷系统中处于断开状态的负热膨胀型热开关；
图3为在制冷系统中处于闭合状态的负热膨胀型热开关。
图中，10：制冷机，11：冷头，21：负热膨胀元件，22：导热元件，23：热负载，31：热负载端，30：固体制冷器，40：红外探测器。
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。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例的负热膨胀型热开关示意图。
参照图1，本发明实施例的基于负热膨胀的热开关，包括：负热膨胀元件21和导热元件22，其中，负热膨胀元件21由负热膨胀材料制成，负热膨胀元件21随着温度的降低体积膨胀使得导热元件22连接到热负载23。具体地，负热膨胀元件21在温度高于预设阈值时，所述导热元件22与所述热负载23断开，所述负热膨胀元件21在低于预设阈值时，所述导热元件22与所述热负载23闭合。
本实施例中所使用的负热膨胀材料是指在一定的温度范围内线膨胀系数或体膨胀系数为负值的一类材料，这种材料具有反常热膨胀特性。1897年Guilaume首次发明面心立方Fe65Ni35合金热膨胀系数比正常铁镍合金低一个数量级。1951年Hummel发现β-锂霞石结晶聚集体在温度达到1000℃后，温度继续升高时出现体积缩小的现象。1995年，美国Oregonstate大学的Sleight等发现了ZrV(2-X)PXO7系列的各相同性负热膨胀材料，负热膨胀温区宽度达到950K。1997年，Sleight等发现了化学通式为A2M3O12的钨酸盐和钼酸盐系列负热膨胀材料，其中Sc2W3O12是目前发现的负热膨胀温区最宽的负热膨胀材料(10-1200K)。
本实施例利用了材料的负热膨胀特性，负热膨胀元件21在高温收缩至预设的第一长度时，导热元件22与热负载端31断开，如图2所示，负热膨胀材料21处于收缩状态。此时，制冷系统中的制冷机10的冷头11上连接的负热膨胀热开关20断开，导热元件22与热负载端31形成一间隙S，导热热流无法通过热开关20。此处需要说明的是导热元件22具有伸缩性，以配合负热膨胀元件21的运动。
负热膨胀元件21在低温膨胀至预设的第二长度时，导热元件22与热负载端31闭合，热开关与热负载端31形成热流通路，如图3所示，负热膨胀材料21处于膨胀状态。此时，制冷系统中的制冷机10的冷头11上连接的负热膨胀热开关20闭合，导热元件22与热负载端31的间隙S消失，导热热流通过热开关20，传至固体制冷器30的热负载端31，从而实现对红外探测器40的制冷。
本实施例的热开关运动行程大。以负热膨胀材料Yb2.75C60为例，其在30K时线膨胀系数为-550×10-6/K，假设负热膨胀材料轴向长为20mm，此温度下其轴向可膨胀2.97mm，较大间隙减小了间隙两端面间角系数，从而减小了辐射换热，进而有效增大了热开关的断开热阻。同时，本发明中导热元件22表面磨光以减少其发射率，较低的发射率也具有减少导热元件22与热负载端31之间辐射换热的作用，使得断开热阻增加。
实施例中导热元件22采用高热导率材料，如铜、金、银或其合金制成，导热元件在热开关闭合时，能够增强制冷机与被冷元件之间的导热。
基于上述结构，本发明的热开关的运动行程较大，并且可随负热膨胀材料的长度改变，断开后热流通路传热仅为间隙S两边平面的热辐射，断开热阻有效增加。另外，热开关仅有两个部件，结构极为简单，加工制作容易实现。同时，大行程和磨光表面减少了断开状态的辐射传热，增大了断开热阻。
本实施例中以负热膨胀材料Yb2.75C60为热开关的负热膨胀元件，且设定热开关闭合温度为30K。在其它实施例中，选择热开关工作在负热膨胀材料的有效温区内即可实现热开关控制热流通路功能，同时可根据工作温度的不同选择合适的负热膨胀材料做负热膨胀元件。其它实施例中可对负热膨胀元件21和导热元件22的具体形状做修改，以满足应用需求。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (4)
1.一种基于负热膨胀的热开关，其特征在于，包括：负热膨胀元件和导热元件，其中，所述负热膨胀元件由负热膨胀材料制成，所述负热膨胀元件与所述导热元件相连，所述负热膨胀元件在温度高于预设阈值时，所述导热元件与所述热负载断开，所述负热膨胀元件在低于预设阈值时，所述导热元件与所述热负载闭合。
2.如权利要求1所述的热开关，其特征在于，负热膨胀元件在设定的温度范围内热缩冷胀，所述负热膨胀元件高温收缩至预设的第一长度时，所述导热元件与所述热负载断开，负热膨胀元件低温膨胀至预设的第二长度时，所述导热元件与所述热负载闭合。
3.如权利要求1所述的热开关，其特征在于，所述导热元件采用高热导率材料制成。
4.如权利要求3所述的热开关，其特征在于，所述导热元件由铜、金、银中的任一种制成。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |