一种环路型气隙式热开关及其制造方法

技术领域

本发明属于制冷及低温工程领域，涉及稀释制冷机，特别涉及一种环路型气隙式热开关及其制造方法。

背景技术

稀释制冷机利用氦-3和氦-4两种工质的特殊物性实现毫开尔文温区制冷，作为一种具有连续运行、低干扰和性能稳定等优势的极低温区制冷技术，为量子信息技术、深空探测、低温物理研究和极端科学实验条件的建立等前沿科学领域的发展提供了重要的工作温度环境。

热开关是稀释制冷机预冷过程中助力快速降温的关键部件，用于控制稀释制冷机制冷循环中的级间传热，实现热沉之间的耦合与解耦，从而影响制冷效果和能量消耗。应用于稀释制冷机的各种类型的热开关按工作原理可划分为机械式、超导式、气隙式。机械式热开关通过组成部件间的相对运动，实现冷端与热端的机械连接与断开，以此控制热开关的通、断状态的改变。机械式热开关虽然理论上有无穷大的开断比，但因结构复杂而带来的附加热损失大、耐用性差等缺点限制了它的使用范围。超导式热开关是利用材料超导前后热导率的巨大变化来实现热开关开断状态切换，工作温度需要明显低于超导转变温度，由于稀释制冷机的预冷过程中需要在室温至3K的温区中保持级间处于高热导状态，因而超导热开关应用于稀释制冷机时有诸多不便。气隙式热开关通过在导热片之间充注或抽取气体工质来改变换热能力，实现两极间热导率的巨大变化。气隙式热开关的核心优点在于其结构简洁与运行可靠性，工作温区广，开断比高，可满足稀释制冷机应用过程中频繁断开和闭合的需求，其次，其工作过程中无需借助磁场，消除了磁场干扰可能对周边敏感元件产生的不利影响，尤其适用于对磁场环境有严格要求的实验或设备。

但是，目前常规的气隙式热开关存在结构复杂、换热面积小、故障率高以及换热效率较低等问题，限制其在稀释制冷机中的应用，对稀释制冷机预冷过程的加速效果不明显。

发明内容

鉴于现有研究和技术的不足，本发明旨在创新性提供一种环路型气隙式热开关及其制造方法，这种新型的环路气隙式热开关具有旋转对称结构，由冷端基座、热端基座、支撑外壳、同心交错圆筒壁冷端、同心交错圆筒壁热端以及密封铟丝组成，支撑外壳通过密封铟丝与冷热两端装配，起到密封作用。

环路型气隙式热开关内部工质通常为高热导气体氦-4，当环路型气隙式热开关处于断开状态时，热开关腔体内的工质气体被抽出，则间隙内为近真空状态，薄壁圆筒间热阻可视作无穷大，级间热传导极小；当热开关处于导通状态时，薄壁圆筒间充入了了高导热气体，此时薄壁圆筒间热传导显著提高，从而提高了稀释制冷机预冷过程的传热速率。

所述冷端基座的一侧端面与稀释制冷机的两个冷级中较冷级相连接，另一侧端面特别加工有用于安装密封铟丝的安装槽。相应地，热端基座一侧端面与稀释制冷机的两个冷级中较热级相接，其另一侧端面同样设有安装密封铟丝的安装槽。

支撑外壳的两侧端面均设有与冷端基座、热端基座上安装槽相匹配的凸起结构，通过螺丝将支撑外壳、冷端基座与热端基座稳固连接，同时将密封铟丝压紧，确保形成密封连接。支撑外壳的外壁面上开设有直径为3～6mm的通孔，通孔通过焊接不锈钢细管可与泵组或工质气体源连通，以实现气体的导入与排出。

同心交错圆筒壁冷端与同心交错圆筒壁热端均为同轴排列的圆筒结构。每个圆筒壁的厚度精确控制在0.5～1.0mm范围内，相邻圆筒壁之间的间距严格控制在0.1～0.3mm之间，整个圆筒组合的总数限定在10～19个之间。圆筒的高度根据稀释制冷机两个冷级之间的实际距离进行设定，以确保最佳的传热效果。

同心交错圆筒壁冷端保持与冷端基座端面的垂直状态，并通过焊接工艺实现牢固结合；同心交错圆筒壁热端同样保持与热端基座端面的垂直状态，通过焊接工艺形成一体化结构。值得注意的是，同心交错圆筒壁冷端与同心交错圆筒壁热端的圆筒壁呈同心且交错布置，各筒壁之间保持互不接触，同时也不与支撑外壳发生接触。当环路型气隙式热开关处于开启状态时，圆筒壁之间的间隙将被填充以高热导系数气体，如氦、氖等，以实现高效的热量传递。

密封铟丝的直径范围为0.8～1.2mm，其长度设定为冷端基座和热端基座安装槽周长的1.2～2倍，在低温下需要保持良好的延展性，以确保在热开关装配过程中能够实现有效的密封连接，保证热开关关断状态时内部的高真空度，确保整个装置的密封性能及长期运行稳定性。

本发明提出的应用于环路型气隙式热开关制造方法，主要包括以下步骤：

首先采用无氧铜材料制作冷端基座和热端基座，其底端圆柱直径为45～56mm，在冷端基座和热端基座平面上由车床加工出铟丝槽，槽深约1.8mm～2.4mm，公差控制在±0.01mm，冷端基座与热端基座内壁面抛光处理，减少热开关关断时的辐射漏热；

采用不锈钢材料制作支撑外壳，主体为圆柱状，两端面设置与冷端基座、热端基座的铟丝安装槽相配合的凸起，凸起高度为0.8～1.2mm，外壁面加工有3～6mm通孔，以钎焊方式与外部管路连接；

最后，采用无氧铜材料制作同心交错圆筒壁冷端与同心交错圆筒壁热端，通过慢走丝线切割技术加工出多个不同直径的独立圆筒壁，圆筒壁壁厚为0.5～1.0mm，相邻圆筒壁直径差控制在0.1～0.3mm之间，圆柱度保证在±2μm，修磨圆筒壁内部毛刺，以减少关断时的辐射漏热并保证圆筒壁的垂直度；5～10个不同直径的圆筒壁组成同心交错圆筒壁冷端，4～9个不同直径的圆筒壁组成同心交错圆筒壁热端，同心交错圆筒壁冷端与同心交错圆筒壁热端的圆筒壁同心且交错，同心交错圆筒壁冷端与冷端基座、同心交错圆筒壁热端与热端基座分别采用钎焊进行密封连接，支撑外壳与冷端基座、热端基座通过螺丝压紧连接，利用密封铟丝实现密封，从而形成稀释制冷机级间传热控制的环路型气隙式热开关。

综上所述，本发明设计了一种环路型气隙式热开关，使用多个同心对插的薄壁圆筒形成容纳工质气体的间隙，由不锈钢制成热开关的支撑外壳包裹圆筒壁形成封闭腔体，利用密封铟丝填充铟丝槽实现密封，达到了在稀释制冷机中不同级之间进行热导控制的目标。

相比于传统间隙热开关，环路型气隙式热开关内部换热面积更大，弥补其中目前发展的气隙式热开关在高温高热流传热控制方面的不足，实现了宽广温区间对级间传热性能的调控，有效克服了现有热开关装置传热效率不高的局限性，以使稀释制冷机降温时间缩短。本专利提出的环路型气隙式热开关简化了机械结构，降低了故障风险，确保了稀释制冷机可在无磁场环境下稳定运行，并具有实现被动化操作的潜能。在开启状态下，该热开关能够迅速建立高效的热量传递路径，大大减少稀释制冷机达到最低温度或所需低温工作温度所需的时间；而在断开状态下，则能有效地阻隔热量泄漏，确保制冷机维持在极低温度，是稀释制冷机预冷过程实现快速降温部件的主要选择。该技术具有广阔的应用前景，为稀释制冷机的性能提升和能源节约提供了新的解决方案。

附图说明

图1为所发明的环路型气隙式热开关整体结构剖面图；

图2为环路型气隙式热开关冷端基座1与同心交错圆筒壁冷端4'的剖面图；

图3为环路型气隙式热开关热端基座2与同心交错圆筒壁热端4”的剖面图；

其中：冷端基座1、热端基座2、支撑外壳3、同心交错圆筒壁冷端'、同心交错圆筒壁热端4”以及密封铟丝5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本发明创新性地设计了应用于稀释制冷机中级间热导控制的环路型气隙式热开关。图1为所发明的环路型气隙式热开关整体结构剖面图，包括冷端基座1、热端基座2、支撑外壳3、同心交错圆筒壁4、以及密封铟丝5。图2为环路型气隙式热开关冷端基座1与同心交错圆筒壁4’的剖面图；相应地，图3为环路型气隙式热开关热端基座2与同心交错圆筒壁4”的剖面图；

这种新型的环路气隙式热开关具有旋转对称结构，冷端基座1和同心交错圆筒壁冷端4'通过焊接相连，热端基座2和同心交错圆筒壁热端4”同样以焊接相连，支撑外壳3通过密封铟丝5与冷热两端装配，起到支撑和密封作用。

环路型气隙式热开关内部工质通常为高热导气体氦-4，当环路型气隙式热开关处于断开状态时，热开关腔体内的工质气体被抽出，则间隙内为近真空状态，薄壁圆筒间热阻可视作无穷大，级间热传导极小；当热开关处于导通状态时，薄壁圆筒间充入了了高导热气体，此时薄壁圆筒间热传导显著提高，从而提高了稀释制冷机预冷过程的传热速率。

所述冷端基座1的一侧端面与稀释制冷机的两个冷级中较冷级相连接，另一侧端面特别加工有用于安装密封铟丝5的安装槽。相应地，热端基座2一侧端面与稀释制冷机的两个冷级中较热级相接，其另一侧端面同样设有安装密封铟丝5的安装槽。

支撑外壳3的两侧端面均设有与冷端基座1、热端基座2上安装槽相匹配的凸起结构，通过螺丝将支撑外壳3、冷端基座1与热端基座2稳固连接，同时将密封铟丝5压紧，确保形成密封连接。支撑外壳3的外壁面上开设有直径为3～6mm的通孔，通孔通过焊接不锈钢细管可与泵组或工质气体源连通，以实现气体的导入与排出。

同心交错圆筒壁冷端4'与同心交错圆筒壁热端4”均为同轴排列的圆筒结构。每个圆筒壁的厚度精确控制在0.6mm，相邻圆筒壁之间的间距严格控制在0.2mm，整个圆筒组合的总数限定在15个。圆筒的高度根据稀释制冷机两个冷级之间的实际距离进行设定，以确保最佳的传热效果。

同心交错圆筒壁冷端4'保持与冷端基座1端面的垂直状态，并通过焊接工艺实现牢固结合；同心交错圆筒壁热端4”同样保持与热端基座2端面的垂直状态，通过焊接工艺形成一体化结构。值得注意的是，同心交错圆筒壁冷端4'与同心交错圆筒壁热端4”的圆筒壁呈同心且交错布置，各筒壁之间保持互不接触，同时也不与支撑外壳3发生接触。当环路型气隙式热开关处于开启状态时，圆筒壁之间的间隙将被填充以高热导系数气体，如氦、氖等，以实现高效的热量传递。

密封铟丝5的直径为0.9mm，其长度设定为冷端基座1和热端基座2安装槽周长的1.4倍，在低温下需要保持良好的延展性，以确保在热开关装配过程中能够实现有效的密封连接，保证热开关关断状态时内部的高真空度，确保整个装置的密封性能及长期运行稳定性。

热开关的制造方法，主要分为以下步骤：

首先采用无氧铜材料制作冷端基座1和热端基座2，其底端圆柱直径为50mm，在冷端基座1和热端基座2平面上由车床加工出铟丝槽，槽深约2.0mm，公差控制在±0.01mm，冷端基座1与热端基座2内壁面抛光处理，减少热开关关断时的辐射漏热；

采用不锈钢材料制作支撑外壳3，主体为圆柱状，两端面设置与冷端基座1、热端基座2的铟丝安装槽相配合的凸起，凸起高度为0.9mm，外壁面加工有4mm通孔，以钎焊方式与外部管路连接；

最后，采用无氧铜材料制作同心交错圆筒壁冷端4'与同心交错圆筒壁热端4”，通过慢走丝线切割技术加工出多个不同直径的独立圆筒壁，圆筒壁壁厚为0.7mm，相邻圆筒壁直径差控制在0.2mm之间，圆柱度保证在±2μm，修磨圆筒壁内部毛刺，以减少关断时的辐射漏热并保证圆筒壁的垂直度；8个不同直径的圆筒壁组成同心交错圆筒壁冷端4'，6个不同直径的圆筒壁组成同心交错圆筒壁热端4”，同心交错圆筒壁冷端4'与同心交错圆筒壁热端4”的圆筒壁同心交错且互不接触，同心交错圆筒壁冷端4'与冷端基座1、同心交错圆筒壁热端4”与热端基座2分别采用钎焊进行密封连接，支撑外壳3与冷端基座1、热端基座2通过螺丝压紧连接，利用密封铟丝5实现密封，从而形成稀释制冷机级间传热控制的环路型气隙式热开关。