应用于极低温制冷机的气隙式热开关及其导热方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201310598383.2 | 申请日 | 2013-11-22 | 公开(公告)号 | CN104654692A | 公开(公告)日 | 2015-05-27 |
| 申请人 | 中国科学院理化技术研究所; | 发明人 | 罗宝军; 梁惊涛; 王兆利; 闫涛; 洪国同; 蔡京辉; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种应用于极 低温制冷 机的气隙式热 开关 ，其包括： 吸附 泵 ；第一筒体；第二筒体；安装在吸附泵上的加热计；位于第一筒体和第二筒体之间且将其二者连接的 支撑 筒，其内设有间隙；其中所述吸附泵通过连管与所述间隙连通并形成一封闭空腔，所述封闭空腔内填充有工质气体。本发明的气隙式热开关可实现极低温制冷机与前级预冷机间的长时间、高频次及高可靠地交替导通和断开热传递，可广泛应用于空间极低温制冷等技术领域。此外，本发明还提供了一种利用上述气隙式热开关实现导热的方法，为极低温条件下能够持久、可靠地进行交替热导通和热断开开辟了新的途径。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种应用于极低温制冷机的气隙式热开关，其特征在于，其包括： |
||||||
| 说明书全文 | 应用于极低温制冷机的气隙式热开关及其导热方法技术领域[0001] 本发明涉及极低温制冷技术领域，特别是涉及一种应用于极低温制冷机的气隙式热开关及其导热方法。 背景技术[0002] 极低温制冷技术是低温工程学科的重要分支，主要为相关的应用场所提供1K以下温度的冷源（注：本文中极低温指mK级温度，1mK=0.001K）。 [0003] 随着空间技术的不断发展，空间极低温制冷温度正日益成为微重力基础物理、空间天文、空间环境与空间物理、地球科学、空间应用新技术和深空探测等学科领域中许多研究开展的必要条件之一，例如：采用空间红外探测系统对远至银河系以外的宇宙进行深空探测，由于宇宙的背景温度约为3K，为了降低背景热噪声，提高探测器灵敏度，要求提供冷源的制冷机具有1K以下的制冷温度。 [0004] 目前，实现制冷温区在1K以下的空间制冷技术几乎都属于间隙制冷，例如极低温吸附制冷，制冷机只能维持一定时间（1～2天）的制冷效果，当制冷机蒸发器内液体蒸发完而无法制冷后，需要一定时间（2～3小时）加热吸附装置（如吸附床），使之释放出工质气体从而实现重新制冷。为了减少吸附装置加热过程中热量向前级预冷机传递，通常此时需要隔绝吸附装置与前级预冷制冷机间的热传递。因此，极低温制冷机与前级预冷制冷机间需要重复地交替导通和断开热传递，上述效果通常利用热开关实现。 [0005] 由于极低温制冷机与前级预冷制冷机间交替导通和断开热传递的次数非常大，对热开关的可靠性和寿命要求非常高，然而现有的热开关，无论是气隙式、记忆合金式还是双向移位式等都无法实现在极低温条件下长时间可靠地工作，这是当前空间极低温制冷领域所面临的棘手难题。 发明内容[0006] （一）要解决的技术问题 [0007] 针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用于极低温制冷机的气隙式热开关，其可以实现极低温制冷机与前级预冷机间的长时间、高频次及高可靠地交替导通和断开热传递，可广泛应用于空间极低温制冷等技术领域；此外，本发明还提供了一种利用上述气隙式热开关实现导热的方法，为极低温条件下能够持久、可靠地进行交替热导通和热断开开辟了新的途径。 [0008] （二）技术方案 [0009] 为实现上述目的，本发明气隙式热开关包括：吸附泵；第一筒体；第二筒体；安装在吸附泵上的加热计；位于第一筒体和第二筒体之间且将其二者连接的支撑筒，其内设有间隙；其中所述吸附泵通过连管与所述间隙连通并形成一封闭空腔，所述封闭空腔内填充有工质气体。 [0010] 优选地，所述连管一端与所述吸附泵的内腔连通，另一端穿过所述第一筒体与所述间隙连通；其中所述连管的内腔、所述吸附泵的内腔和所述间隙共同构成所述封闭空腔。 [0011] 优选地，所述吸附泵内的吸附剂为活性炭。 [0012] 优选地，所述间隙的宽度为0.1-0.3mm。 [0015] 优选地，所述连管的直径≤1.5mm。 [0016] 优选地，所述工质气体为氦4。 [0017] 本发明利用上述气隙式热开关实现导热的方法包括如下步骤：1）将气隙式热开关的吸附泵和第一筒体分别与前级预冷制冷机连接，同时将第二筒体与极低温制冷机连接；2）通过加热计给吸附泵加热，吸附泵上吸附的工质气体解吸后充入位于第一筒体和第二筒体之间的间隙中，工质气体将以连续流运动，进而实现热开关的导通；3）待导热结束后关闭加热计，吸附泵温度下降并抽吸间隙内的工质气体，工质气体将以分子流运动，进而实现热开关的断开。 [0018] 优选地，步骤2）中所述加热计安装在所述吸附泵的外壁。 [0019] （三）有益效果 [0020] 与现有技术相比，本发明具有如下优点： [0021] 1）本发明气隙式热开关通过设置第一筒体和第二筒体，并在二者之间的支撑筒上设置间隙，实现了第一筒体和第二筒体间的充气和抽气，进而实现热开关的导通和断开功能，不存在机械运动，确保了气隙式热开关在极低温状态下的持久、频繁使用； [0022] 2）本发明的吸附泵通过连管与第一筒体、支撑筒和第二筒体连接并共同形成一封闭空腔，所有密封接口实现全焊接，结构简单、可靠性高，满足用于极低温制冷机与前级预冷制冷剂间热传递频繁、可靠地导通与断开； [0023] 3）本发明的支撑筒可实现0.1mm以内的厚度，第一筒体与第二筒体之间可实现最低0.1mm的间隙，连管直径在1.5mm以内，在确保能够高效率导热的前提下可缩小本发明气隙式热开关的体积，为空间实际应用带来便利； [0024] 4）本发明气隙式热开关具有长寿命、高可靠、高频次实用等特点，适合空间极低温制冷领域的应用； [0026] 图1是本发明气隙式热开关的结构示意图。 [0027] 附图标记说明：1-吸附泵；2-加热计；3-连管；4-第一筒体；5-支撑筒；6-第二筒体；7-间隙。 具体实施方式[0028] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，需要说明的是，附图仅用于解释本发明，是对本发明实施例的示意性说明，而不能理解为对本发明的限定；其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 [0029] 在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，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。 [0030] 如图1所示，本发明气隙式热开关包括：吸附泵1、加热计2、连管3、第一筒体4、支撑筒5及第二筒体6等。加热计2安装在吸附泵1上，支撑筒5位于第一筒体4和第二筒体6之间且将其二者连接，支撑筒5内设有间隙7，即间隙7位于第一筒体4和第二筒体6之间。吸附泵1通过连管3与间隙7连通并形成一封闭空腔，在封闭空腔内填充有工质气体，最好为氦4。 [0031] 具体地，连管3的一端与吸附泵1的内腔连通，连管3的另一端穿过第一筒体4与间隙7连通，其中连管3的内腔、吸附泵1的内腔和间隙7共同构成上述封闭空腔。吸附泵1内有吸附剂，优选为活性炭吸附剂。支撑筒5优选由不锈钢或钛合金材料制成，支撑筒5的壁厚可在0.1mm以内，直径在10mm以内，支撑筒5内的间隙7的宽度可在0.1-0.3mm之间，连管3的直径可在1.5mm以内，这样可在确保能够高效率导热的前提下缩小本发明气隙式热开关的体积，为空间实际应用带来便利。第一筒体4和第二筒体6也可分别由紫铜或无氧铜制成，以进一步提高导热率。 [0032] 此外，在上述技术方案的基础上，本发明还提供给了一种利用上述气隙式热开关实现导热的方法，该方法主要包括如下步骤：1）将气隙式热开关的吸附泵1和第一筒体4分别与前级预冷制冷机连接，同时将第二筒体6与极低温制冷机连接；2）通过加热计2给吸附泵1加热，吸附泵1上吸附的工质气体解吸后充入位于第一筒体4和第二筒体6之间的间隙7中，工质气体将以连续流运动，进而实现热开关的导通；3）待导热结束后关闭加热计2，吸附泵1温度下降并抽吸间隙7内的工质气体，工质气体将以分子流运动，进而实现热开关的断开。 [0033] 下面结合实施例对本发明利用气隙式热开关实现导热的方法作进一步详细的说明。 [0034] 第一实施例 [0035] 如图1所示，开始运行前将吸附泵1与前级预冷制冷机冷端柔性连接，第一筒体4与极低温制冷机柔性连接，第二筒体6与前级预冷制冷机冷端柔性连接。当加热计2加热时（加热计2优选安装在吸附泵1的外壁），吸附泵1温度上升，吸附在吸附泵1内活性炭上的工质气体释放出来，通过连管3充入第一筒体4和第二筒体6间的间隙7，使第一筒体4和第二筒体6间气体处于连续流运动，实现热开关的导通；当加热计2停止加热时，吸附泵1温度下降，吸附泵1内活性炭通过连管3对第一筒体4和第二筒体6间的工质气体抽气，使第一筒体4和第二筒体6间的工质气体处于分子流运动，进而实现热开关的断开。由于连续流和分子流气体有几个数量级的变化，从而实现热开关的闭合及断开功能。 [0036] 很显然，本发明气隙式热开关和利用该热开关实现导热的方法对于本领域普通技术人员来说均是非显而易见的，即不经过创造性劳动是无法实现本发明的技术方案，因而具有突出的实质性特点；此外，本发明能够带来如下有益效果：1）本发明气隙式热开关通过设置第一筒体4和第二筒体6，并在二者之间的支撑筒5上设置间隙7，实现了第一筒体4和第二筒体6间的充气和抽气，进而实现热开关的导通和断开功能，不存在机械运动，确保了气隙式热开关在极低温状态下的持久、频繁使用；2）吸附泵1通过连管3与第一筒体4、支撑筒5和第二筒体6连接并共同形成一封闭空腔，所有密封接口实现全焊接，结构简单、可靠性高，满足用于级低温制冷机与前级遇冷制冷剂间热传递频繁、可靠地导通与断开；3）支撑筒5可实现0.1mm以内的厚度，第一筒体4与第二筒体6之间可实现最低0.1mm的间隙，连管3直径可在1.5mm以内，在确保能够高效率导热的前提下可缩小本发明气隙式热开关的体积，为空间实际应用带来便利；此外，本发明气隙式热开关具有长寿命、高可靠、高频次实用等特点，适合空间极低温制冷领域的应用。本发明利用上述气隙式热开关实现极低温制冷的方法为极低温条件下能够持久、可靠地进行交替热导通和热断开开辟了新的途径。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈