用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，包括：分別與制冷機冷頭和被冷元件連接的金屬材質(zhì)的冷端和熱端；將冷端和熱端固定連接的陶瓷材質(zhì)的固定筒；和冷端接觸的收縮桿；負責(zé)熱開關(guān)斷開和閉合的圓柱接觸塊；金屬材質(zhì)的杠桿和配套的陶瓷支撐；有收縮預(yù)緊力的彈性導(dǎo)熱帶。通過熱膨脹系數(shù)大的收縮桿的收縮和恢復(fù)使杠桿產(chǎn)生位移，實現(xiàn)圓柱接觸塊和冷端的接觸和分離。不同的材料選擇及杠桿比例可以方便調(diào)整間隙大小，可滿足實際工作中的常開、常閉、以及開/閉的需要；單向性好、反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)小巧、成本低廉。
【專利說明】用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于制冷與低溫【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于耦合低溫制冷機與被冷卻器 件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)。

【背景技術(shù)】
[0002] 低溫制冷機因為其冷量大和體積小，作為紅外遙感儀器的空間制冷器越來越受到 重視。但隨著空間現(xiàn)代熱成像技術(shù)、紅外探測-跟蹤-搜索系統(tǒng)的發(fā)展，特別是軍事上的廣 泛應(yīng)用，對空間機械制冷技術(shù)提出了越來越高的要求，最迫切的要求是工作壽命更長、可靠 性更高、制冷量更大。為了滿足這一空間要求，除了不斷研制高性能的機械制冷機外，可以 利用多臺機械制冷機互為備份對同一紅外平臺輸出冷量。由于多臺制冷機通常并不同時運 轉(zhuǎn)，而備用的非運轉(zhuǎn)的制冷機會引入額外熱負荷，這就提高了運轉(zhuǎn)制冷機的冷量要求。引入 低溫?zé)衢_關(guān)來實現(xiàn)制冷機與紅外平臺的連接與斷開，以減少非運轉(zhuǎn)機上的額外負載，是提 高系統(tǒng)效能的有效辦法，也是國際上通用的方案。熱開關(guān)的引入使得多臺廉價制冷機的集 成成為一個可選方案。
[0003] 根據(jù)熱阻變化的原理，熱開關(guān)分為（1)接觸式，其中包括雙金屬型，微膨脹型，形狀 記憶合金等等；（2)氣隙液隙式，原理為通過兩導(dǎo)熱片之間的充氣和抽氣使熱導(dǎo)率發(fā)生幾 個數(shù)量級的變化；（3)場致效應(yīng)式，利用超導(dǎo)體加磁場或液晶材料加電場改變熱導(dǎo)率；（4) 熱管式，閉合狀態(tài)時，蒸發(fā)段氣體去冷凝段冷凝，換熱后在毛細管的作用下返回蒸發(fā)段完成 循環(huán)，當冷凝段溫度升高，氣體無法冷凝時實現(xiàn)斷開。在以上幾種熱開關(guān)，值得一提的是微 膨脹型低溫?zé)衢_關(guān)，它是利用兩種不同材料的膨脹收縮率不同，實現(xiàn)熱開關(guān)的閉合及斷開 動作。和其他類型的熱開關(guān)相比，微膨脹型熱開關(guān)無需密封裝置，無工作流體，結(jié)構(gòu)非常簡 單，僅由冷端、熱端、膨脹部件三部分組成，得到廣泛的研制應(yīng)用。國內(nèi)外都曾成功研制出成 熟的產(chǎn)品。例如中科院理化所研制出開關(guān)間隙為0. 15mm，閉合熱阻為0. 87K/W的第一代熱 開關(guān)，開關(guān)間隙為0. 20mm，閉合熱阻為5K/W的第二代熱開關(guān)。美國斯維爾空間實驗室研制 出開關(guān)間隙為0. lmm，閉合熱阻0. 28K/W (冷端60K)的熱開關(guān)。以上的設(shè)計都有著共同的 缺點，都因為開關(guān)間隙過小，對加工工藝的要求較高，裝配時也會因為偏差造成冷熱端的直 接接觸，影響熱開關(guān)的性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)?開關(guān)，該低溫?zé)衢_關(guān)間隙較大且可根據(jù)實際需要通過調(diào)節(jié)杠桿的比例調(diào)節(jié)間隙，閉合時接 觸壓力更大，接觸熱阻小，材料的選擇多，結(jié)構(gòu)簡單易加工。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：
[0006] -種用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，包括：
[0007] -金屬材質(zhì)的冷端1和熱端8 ;
[0008] -陶瓷材質(zhì)的固定筒2;
[0009] 一金屬材質(zhì)的收縮桿3 ;
[0010] 一連接冷端1和圓柱接觸塊7的導(dǎo)熱帶4 ;
[0011] 一金屬材質(zhì)的杠桿5 ;
[0012] 一陶瓷材質(zhì)的杠桿支撐6;
[0013] 所述冷端1和熱端8之間通過固定筒2連接在一起；
[0014] 所述收縮桿3、導(dǎo)熱帶4、杠桿5、杠桿支撐6和圓柱接觸塊7位于固定筒2之內(nèi)；
[0015] 所述圓柱接觸塊7與熱端8之間有一間隙9 ;
[0016] 所述收縮桿3、杠桿5和杠桿支撐6組成一個膨脹部件；
[0017] 所述膨脹部件的數(shù)量大于等于2,呈圓周分布在固定筒2內(nèi)；
[0018] 所述收縮桿3 -端固定在冷端1上，另一端與杠桿5的一端活動連接，所述杠桿5 的另一端放置在圓柱接觸塊7上；所述杠桿5的中間部分與杠桿支撐6的-端活動連接，所 述杠桿支撐6的另一端固定在固定筒2的內(nèi)壁上。
[0019] 優(yōu)選地，所述膨脹部件的數(shù)量為3。
[0020] 所述收縮桿3為細長的圓柱結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為銅，也可以采用熱膨脹系數(shù)大于銅的金 屬。
[0021] 所述導(dǎo)熱帶4有彈性,導(dǎo)熱帶4收縮使得接觸塊7和杠桿5接觸固定。
[0022] 所述杠桿5中間部分與杠桿支撐6的連接點將杠桿5分為兩段，所述靠近收縮桿 3的一段與靠近圓柱接觸塊7的一段的比值為1:3?1:5,優(yōu)選地，所述比值為1:3。
[0023] 所述間隙9的大小可以通過調(diào)節(jié)杠桿5上兩段比例的大小進行調(diào)節(jié)。
[0024] 所述杠桿支撐6與杠桿5配套，且和固定筒2是一體的。
[0025] 所述低溫?zé)衢_關(guān)的工作溫區(qū)為80K?300k。
[0026] 所述間隙9的尺寸大于等于0. 5咖。
[0027] 所述活動連接采用銷連接，也可以選用其他的活動連接，比如球連接等。
[0028] 所述杠桿支撐6為L型，也可以是其他形狀，只要滿足能固定在固定筒壁上，并且 起到支撐杠桿的作用即可。
[0029] 所述固定筒2的壁面上還可以設(shè)置若干的鏤空，用于減少壁面的面積，從而減少 冷熱端的熱傳遞。
[0030] 使用時，本發(fā)明的低溫?zé)衢_關(guān)置于低溫制冷機與被冷卻器件之間，用于耦合低溫 制冷機與被冷卻器件，其結(jié)構(gòu)如下，與制冷機冷頭直接連接的冷端，與被冷卻元件直接連接 的熱端，兩端之間由陶瓷材質(zhì)的固定筒連接起來，筒內(nèi)有收縮桿、杠桿、陶瓷材質(zhì)的杠桿支 撐組成的膨脹部件，導(dǎo)熱帶和圓柱接觸塊在閉合狀態(tài)時起到導(dǎo)熱的作用。當圓柱接觸塊與 熱端接觸時，低溫?zé)衢_關(guān)閉合為0N態(tài)；當圓柱接觸塊與熱端分離時，低溫?zé)衢_關(guān)斷開為 0FF 態(tài)。
[0031] 由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大、低磁化系數(shù)、實用、易加工，所以作為冷端、熱端及圓柱接 觸的材料，以提供優(yōu)良的導(dǎo)熱性能；而陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，高彈性模量，低熱膨脹系數(shù) 使其作為冷熱端的連接材料正合適。收縮桿要求其熱膨脹系數(shù)較大，若選用非金屬材料能 滿足這一要求，但強度不夠不能使其?兩足反復(fù)開關(guān)、長壽命的要求；且熱導(dǎo)率較低，使熱開 關(guān)的反應(yīng)不夠靈敏。綜上，收縮桿的材料選取金屬中膨脹系數(shù)較大的材質(zhì)即可，引入杠桿 后，對熱膨脹系數(shù)的要求不再苛刻。
[0032] 本發(fā)明的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)工作在80K?300K溫區(qū)，用制冷機作冷源。當制冷 機開啟時，制冷機的冷頭溫度逐漸降低，冷端溫度T1及收縮桿的溫度也隨之降低，收縮桿 開始收縮，杠桿發(fā)生傾斜，杠桿對圓柱接觸塊施加的力大于導(dǎo)熱帶的收縮力，使接觸塊發(fā)生 向下的位移與熱端接觸，開關(guān)處于閉合的狀態(tài)。接觸后，收縮桿的長度不再縮短，但內(nèi)部的 應(yīng)力會越來越大，通過杠桿作用到圓柱接觸塊上，使得其與熱端的接觸應(yīng)力增大，接觸更緊 密。接觸后通過導(dǎo)熱帶導(dǎo)熱使熱端溫度T2迅速降低，直至冷熱端的溫度T1和T2相等。當 制冷機停機時，冷頭溫度逐漸升高，冷端及收縮桿的溫度T1也隨之升高，收縮桿恢復(fù)形變， 杠桿恢復(fù)水平狀，導(dǎo)熱帶的收縮力使圓柱接觸塊發(fā)生向上的位移與熱端分離。分離后，導(dǎo)熱 路徑中斷，開關(guān)處于斷開的狀態(tài)。
[0033] 本發(fā)明的有益效果是，杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)的間隙因為杠桿的引入比之前的設(shè)計都 要大，范圍在0. 5mm及以上。低溫?zé)衢_關(guān)為圓筒狀，底面直徑φ7〇πιιη~φ8〇ηιηι之間，總高度 為80圓?90mm之間，杠桿的比例可在1:3?1:5之間靈活選取，材料的選擇比較廣泛，利 用不同的材料搭配以及調(diào)整杠桿的比例，可以調(diào)節(jié)間隙的大小，以滿足實際工作中的具體 要求。而且杠桿的數(shù)量也可以增減，當某個杠桿失效時，其他杠桿仍可正常工作，對熱開關(guān) 性能沒有影響。低溫?zé)衢_關(guān)閉合后，閉合熱阻在0. 4K/W左右，斷開熱阻大于2000K/W，開關(guān) 比大于5000,比傳統(tǒng)微膨脹型熱開關(guān)的單向性更好，性能更可靠，可滿足常開、常閉、間歇性 的開/閉等要求。
[0034] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有的微膨脹型低溫?zé)衢_關(guān)間隙過小，閉合熱阻大的問題，利用 杠桿原理，放大收縮桿收縮位移，使得間隙可以做的更大，避免了之前的設(shè)計遇到的難題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖2是本發(fā)明的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的組裝示 意圖；
[0037]其中，1、冷端；2、固定筒；3、收縮桿；4、導(dǎo)熱帶；5、杠桿；6、杠桿支撐；7、圓柱接觸 塊；8、熱端；9、間隙；I?IV、低溫?zé)衢_關(guān)；V、主制冷機；VI?VIII備份制冷機。

【具體實施方式】
[0038]下面以附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0039]如圖1所示，一種用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，包括：
[0040] 一金屬材質(zhì)的冷端1和熱端8 ;
[0041] 一陶瓷材質(zhì)的固定筒2;
[0042] 一金屬材質(zhì)的收縮桿3 ;
[0043] 一連接冷端1和圓柱接觸塊7的導(dǎo)熱帶4 ;
[0044] 一金屬材質(zhì)的杠桿5 ;
[0045] 一陶瓷材質(zhì)的杠桿支撐6 ;
[0046] 所述冷端1和熱端8之間通過固定筒2連接在一起；
[0047]所述收縮桿3、導(dǎo)熱帶4、杠桿5、杠桿支撐6和圓柱接觸塊 7位于固定筒2之內(nèi)； [0048]所述圓柱接觸塊7與熱端8之間有一間隙9 ;
[0049] 所述收縮桿3、杠桿5和杠桿支撐6組成一個膨脹部件；
[0050] 所述膨脹部件的數(shù)量為3,呈圓周分布在固定筒2內(nèi)； _
[0051] 所述收縮桿3 -端固定在冷端1上，另一端與杠桿5的一端活動連接，所述杠桿5 的另一端放置在圓柱接觸塊7上；所述杠桿5的中間部分與杠桿支撐6的一端活動連接，所 述杠桿支撐6的另一端固定在固定筒2的內(nèi)壁上。
[0052] 所述收縮桿3為細長的圓柱結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為銅。
[0053] 所述導(dǎo)熱帶4有彈性，導(dǎo)熱帶4收縮使得接觸塊7和杠桿5接觸固定。
[0054] 所述杠桿5中間部分與杠桿支撐6的連接點將杠桿5分為1:3的兩段。
[0055] 所述杠桿支撐6與杠桿5配套，且和固定筒2是一體的。
[0056] 所述間隙9的尺寸等于0. 5mm。
[0057] 所述活動連接采用銷連接。
[0058] 所述杠桿支撐6為L型。 _
[0059] 本發(fā)明的具體工作過程為：制冷機冷頭與冷端1直接接觸，溫度為Π ;被冷卻元件 與熱開關(guān)的熱端2直接接觸，溫度為T2 ;兩端之間由陶瓷的固定筒8固定連接起來，筒內(nèi)有 收縮桿3、杠桿5、陶瓷的杠桿支撐6組成的膨脹部件，導(dǎo)熱帶4和圓柱接觸塊7在閉合狀態(tài) 時起到導(dǎo)熱的作用。當收縮桿3收縮時，杠桿5由水平變傾斜，對圓柱接觸塊7施加向下的 壓力，使得圓柱接觸塊7產(chǎn)生向下的位移，與熱端8接觸，開關(guān)閉合為0N態(tài)。當收縮桿3恢 復(fù)原狀時，杠桿5恢復(fù)水平，圓柱接觸塊7在導(dǎo)熱帶4的收縮力下與熱端8分離，開關(guān)斷開 為OFF態(tài)。
[0060] 在實際工作中，如圖2,主制冷機V運轉(zhuǎn)，與其連接的低溫?zé)衢_關(guān)I處于閉合狀態(tài)， 對被冷卻元件進行冷卻，而備份制冷機VI?VIII處于非運轉(zhuǎn)狀態(tài)，與其連接的低溫?zé)衢_關(guān) II?IV處于斷開狀態(tài)，將備份制冷機VI?VIII與被冷卻元件隔斷，避免了額外熱負荷的 引入。當主制冷機V出現(xiàn)故障或?qū)淞恳笤龃髸r，將備份制冷機VI?VIII開機，低溫?zé)?開關(guān)II?IV會閉合，滿足了不同工況下的要求，提高了系統(tǒng)的壽命及可靠性。
[0061] 需要說明的是，在本實施例中收縮桿的材質(zhì)為銅，但在其他實施例中，收縮桿的材 質(zhì)可以根據(jù)生產(chǎn)需要選擇其他材質(zhì)，如熱膨脹系數(shù)大于銅的金屬；其次，在本實施例中，間 隙的尺寸為0· 5mm，但在其他實施例中，可以根據(jù)需要采用更大的間隙，比如lmm等；最后， 在本實施例中杠桿支撐的形狀為L型，在其他實施例中，也可根據(jù)需要采用其他形狀。
[0062]最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，對本發(fā)明的技術(shù)方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于稱合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特征在于，包括： 一金屬材質(zhì)的冷端（1)和熱端（8); 一陶瓷材質(zhì)的固定筒（2); 一金屬材質(zhì)的收縮桿（3); 一連接冷端（1)和圓柱接觸塊（7)的導(dǎo)熱帶（4); 一金屬材質(zhì)的杠桿（5); 一陶瓷材質(zhì)的杠桿支撐（6); 所述冷端（1)和熱端（8)之間通過固定筒（2)連接在一起； 所述收縮桿（3)、導(dǎo)熱帶（4)、杠桿（5)、杠桿支撐（6)和圓柱接觸塊（7)位于固定筒（2) 之內(nèi)； 所述圓柱接觸塊（7)與熱端（8)之間有一間隙（9); 所述收縮桿（3 )、杠桿（5 )和杠桿支撐（6 )組成一個膨脹部件； 所述膨脹部件的數(shù)量大于等于2,呈圓周分布在固定筒（2)內(nèi)； 所述收縮桿（3) -端固定在冷端（1)上，另一端與杠桿（5)的一端活動連接，所述杠桿 (5)的另一端放置在圓柱接觸塊（7)上；所述杠桿（5)的中間部分與杠桿支撐（6)的一端活 動連接，所述杠桿支撐（6)的另一端固定在固定筒（2)的內(nèi)壁上。
2. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述膨脹部件的數(shù)量為3。
3. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述收縮桿（3)為細長的圓柱結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為銅或熱膨脹系數(shù)大于銅的金屬。
4. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述導(dǎo)熱帶（4)有彈性，導(dǎo)熱帶（4)收縮使得接觸塊（7)和杠桿（5)接觸固定。
5. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述杠桿（5)中間部分與杠桿支撐（6)-端的連接點將杠桿（5)分為兩段，所述靠 近收縮桿（3)的一段與靠近圓柱接觸塊（7)的一段的比值為1:3?1:5。
6. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述杠桿支撐（6 )與杠桿（5 )配套，且和固定筒（2 )是一體的。
7. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述低溫?zé)衢_關(guān)的工作溫區(qū)為80K?300k。
8. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述間隙（9)的尺寸大于等于0. 5mm。
9. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其特 征在于，所述活動連接采用銷連接或球連接。
10. 按權(quán)利要求1所述的用于耦合低溫制冷機與被冷卻器件的杠桿式低溫?zé)衢_關(guān)，其 特征在于，所述杠桿支撐（6)為L型。
【文檔編號】H01H37/48GK104241020SQ201310226316
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月7日
【發(fā)明者】高昶 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所