[发明专利]一种用于低温系统的电磁离合主动控制接触式热开关装置

说明书

本发明公开了一种用于低温系统的电磁离合主动控制接触式热开关装置，包括冷端连接板、左侧边板、热桥、上滑杆、下滑杆、第一电磁铁、第二电磁铁、电磁纯铁、支撑杆、右侧边板和热端连接板，热桥与冷、热端连接板的导热块之间接触与否对应热开关的开关状态。本发明具有可自由控制通断、响应速度快、开关比大、可控温区广、结构简单、易于操作等技术优势，可广泛应用于低温物理研究、低温温度标定、空间制冷技术等领域。

技术领域

本发明涉及一种用于低温系统的电磁离合主动控制接触式热开关装置，具体地是一种在低温下工作的利用电磁铁实现热路通断的装置，可广泛应用于低温制冷系统、低温温度标定系统及航天热控技术等。

背景技术

正如汽车动力输出的离合器一样，低温制冷系统中除了连续可调的冷量输出，多种场合也需要冷量传递的通断控制，该功能通过热开关实现。比如某需要实现超宽温区温度控制的低温系统，其设计额定工况是-250℃深低温温区，但也要求能够在-20℃温位提供冷量。随着温度的升高，该系统的制冷量也逐渐增加，越接近室温，制冷量上升幅度也就越大，此时若简单地采用热补偿法，即电加热对冲控温方式，不仅浪费大量的能量，而且使得温度波动大大恶化，更会危害到此低温设备的硬件安全。如果是为了单次实现较高温区的控温，目前较为普遍的方法是人为地在冷量输出设备与应用装置之间增加低导热材料，建立起极大的温度梯度。该方式虽然解决了较高温区温度可控的问题，但却无法在不拆卸和重新装配的前提下实现深低温工况的切换，另一个缺点是热阻的引入大大牺牲了系统的降温速度。热开关技术则解决了温区切换和降温时间的问题。在降温过程中闭合热开关，可以实现系统快速降温；在控温过程中断开热开关，则可以达到较高温区控温的目的。又如，热开关在深空探测器热控制、空间制冷机等航天器热控领域具有重要作用。空间环境的交变大温差给航天器的安全运行带来了挑战。当航天器面向太阳辐射时，为了避免过大的热流涌入，可以断开热开关；当航天器背向太阳辐射时，可以闭合热开关，从而有利于在不消耗能量的情况下实现内部电子器件的散热。热开关的应用为航天器的在轨运转提供了新的技术手段。

经过对现有技术的检索发现，用于低温系统的相关热开关装置分为被动接触式和主动气隙式两类。前者如Dietrich等人在文献“A compact thermal heat switch forcryogenic space applications operating near 100K”(Cryogenics,2013,59(1):70-75.)中提到了一种工作在100K附近的用于低温系统的接触式热开关。它的冷端具有四片1/4圆筒铜片的爪状结构，铜片外部包裹着高分子聚乙烯塑料，热端为一伸入冷端爪状结构的铜芯，铜芯径向与爪状结构有一定间隙。该热开关是利用高分子聚乙烯与金属铜的热膨胀系数的差异，在温度降至目标温度时，聚乙烯相对更大的冷收缩致使爪状结构抱紧铜芯，形成热通路。该装置属于被动式热开关，无法按需主动控制，且一旦设计好，只能在指定的唯一温度下发生开关动作，使其应用范围受到限制。专利CN104241020A公布了一种用于耦合低温制冷机与被冷却器件的杠杆式低温热开关，其也是利用材料的热胀冷缩来实现热开关的通断操作，虽然触发通断的动作温度可以通过冷热端的间隙来调节，但每次调整均需对热开关进行拆卸，不能满足在宽温区内连续进行开关操作的要求。在主动式热开关方面，专利CN 104654692A公布了一种应用于极低温制冷机的气隙式热开关，其导热方式是密闭腔体内气体的对流换热，腔内气体的多少由活性炭吸附泵来控制，利用吸附泵在不同温度下对气体吸附量的差异实现热开关的通断。气隙式热开关虽然实现了主动控制，但其开关比要明显低于接触式热开关，而且开关反应时间长、速度慢；且活性炭只在固定温区才能有效吸收工质气体，同样存在应用范围受限的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以主动控制通断、工作温区宽、开关比大的接触式低温热开关。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：