[实用新型]一种新型低温热开关

说明书

本实用新型是采用形状记忆合金在不同的温度状态下发生形状的改变来实现热开关的“开”和“关”功能的一种新型低温热开关。

随着空间低温技术和超导技术的发展，对于应用系统的自动化程度要求越来越高，为了实施对于低温探测器、超导器件或其它低温电子学器件进行有效地冷却，就迫切地需要一种轻巧、灵敏度高的热开关，以保证器件与低温部件良好的接触，而断开与高温端的导热联系。

为了解决这个问题，自本世纪七十年代以来，人们就设计出了各种不同形式的低温热开关，主要有机械式、气体间隙式、超导式和石墨式热开关。机械式热开关采用两个光滑固体表面接触传热，其驱动动力要么采用外界人工施力，要么采用充排气波纹管施力或电磁驱动（参见M.T.G.Van der Laan，et al.“A Mechanically Driven Switch for Decoupling Cryocoolers，” Advances in Cryogenic Engineering，Vol.35，1990）。这几种驱动方式首先很难实现自动化，其次对于温度的变化没有自适应地实现“开”和“关”的功能。另外，电磁驱动由于本身线圈发热因而在小冷量传输时无法使用。

气体间隙式热开关是目前应用最为广泛的一种热开关。它已经在航天方面得到了一定的应用（参见 C. K. Chan， “Gas Adsorption／Absorption Heat Switch.”Phase 1，N87－28022／8，NASA－CR－181327 和 R. G. Ross，Jr，et al，“Design and Application of Gas－Gap Heat Switches.”N91－10222／8／GAR）。这种热开关利用对封闭的冷热端之间形成的间隙进行充排气，通过气体的热传导来实现热开关的导通和关闭。为了实现气体的吸收和排出，在热开关中要设计一只辅助气体热压缩设备，通常它采用分子筛结构，受热以后分子筛释放所吸附的气体，冷却后再吸附。这样一方面给热开关带来了一个不必要的附件；另一方面由于分子筛吸附所达到的真空不是很高，因而热开关的关闭性能不好，另外用于封闭间隙空间的外壳也有一定的导热，因而其关开热阻比（Roff／Ron）最大只能达到900左右（1W，60K时）。

超导和石墨热开关都是在1K温度级以下时使用，应用不很广泛。

本实用新型的目的是提供一种体积极小，高灵敏度，高可靠性，关开热阻比能达到3000以上的一种新型热开关。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：在热开关的冷端和热端之间采用与热开关工作点温度相对应的转变温度的形状记忆合金构件连接起来，比如温度在100K时采用Ti－Ni－Co合金材料。连接的方式可以采用弹簧方式，也可以采用其它的折叠方式，如三角形折叠或弧形折叠。当冷端温度降低时记忆合金的温度也随之降低，当达到某一温度以后（记忆合金的马氏体相开始转变温度Ms），记忆合金形状发生变化，开始收缩，带动整个冷端与热端相靠拢，因为冷端和热端一般采用一端固定，另一端采用铜编织带连接。直至达到良好接触以后，记忆合金继续收缩，此时在两光滑表面之间出现压应力，从而降低了接触热阻，故热开关的导通热阻Ron很小，仅为2K／W左右。当冷端温度升高时，记忆合金材料温度也升高，当达到其马氏体相向母相的反相转变温度As时，合金构件开始伸长，直至把冷端与热端分开，实现热关闭功能。此时只有记忆合金材料联系着冷热端，而一般Ti－Ni记忆合金的导热系数非常小，且长度长、直径细，因而关闭热阻Roff则很大，可达到6000－8000K／W。

本实用新型明显具有如下有益效果：首先，因为只需要在热开关的冷热端之间安装一形状记忆合金构件来实现热开关的自动开关功能，所以结构比现有任何热开关都简单，体积极小。其次由于记忆合金的形状变化范围很大，所以它对于加工精度的要求非常少，只需要在两接触的光滑表面镀金以降低接触热阻；另外，由于形状记忆合金的形状变化是一缓冲过程，因而它的“开”、“关”功能的实现对冷却器件所产生的振动影响也最小；还有，其灵敏度高，可靠性也高，其关开热阻比可达3000以上。可广泛用于探测器、超导器件以及低温电子学器件。

下面结合附图对实施例作进一步阐述。图1为本实用新型结构原理图；图2为本实用新型连接冷热端的形状记忆合金做成三角形折叠的一个实施例；图3为本实用新型连接冷热端的形状记忆合金做成弧形折叠的一个实施例。

本实用新型热开关装置包括一个冷端1，一个热端2，它们通过一丝状弹簧形状记忆合金构件3连接，形状记忆合金材料为Ti－Ni－Co合金，马氏体开始相变温度Ms为108K，反相转变温度As为228K，由于冷端温度变化，使形状记忆合金形状出现伸缩变化，从而使冷端和热端接触或分开。另外在冷端与冷源4之间通过高导无氧铜编织带5实行柔性连接。此外，该热开关处于整个一个真空罩6形成的真空环境中。整个装置十分小巧，外形尺寸为φ14mm×30mm，经测试，其关开热阻比在3000以上。