專利名稱：熱開關及采用這種熱開關的測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱開關，尤其涉及用于低溫下測量的熱開關，例如用于低溫下進行比熱測量的熱開關。
背景技術：
在低溫應用領域中經常需要使同一部件在不同時候處于熱連接與熱隔斷兩種完全不同的狀態(tài)。例如，在低溫下利用真空絕熱法對待測樣品進行熱物性測量如比熱測量時， 在進行測量的整個過程中樣品室要有足夠好的絕熱性能，但又必須采取措施保證在短時間內能把待測樣品冷卻到測量溫區(qū)的最低溫度以下，換句話說，待測樣品在冷卻與測量這兩個過程中需要兩種完全不同的環(huán)境，即冷卻時需要有熱量傳遞以便將待測樣品冷卻，而測量時需要對待測樣品真空絕熱。這種熱量傳遞的導通與斷開主要是通過熱開關實現(xiàn)的。又例如，在太空探測器中，為了提高整個制冷系統(tǒng)的可靠性和壽命，通常設置多臺制冷機對同一冷卻平臺輸出冷量。在正常工況下，使用其中的一臺制冷機作為主機，其他制冷機作為備份機。當主機出現(xiàn)故障時，使用備份機來制冷。為避免備份機與冷卻平臺熱連接而消耗冷卻平臺冷量，在每個制冷機和冷卻平臺之間設置一個熱開關，讓熱開關分別處于導通和斷開狀態(tài)來實現(xiàn)制冷機與冷卻平臺的熱連接和熱斷開。目前常用的熱開關有機械式熱開關、氣隙式熱開關、形狀記憶合金熱開關、微膨脹型低溫熱開關等，其中機械式熱開關的結構復雜而且笨重，操作麻煩，需要較大的驅動力， 接觸熱阻較大，而且開關在運作時會由于摩擦和振動造成樣品升溫；氣隙式熱開關對制造工藝水平要求較高，同時該熱開關控制系統(tǒng)比較復雜；形狀記憶合金熱開關，通過記憶合金感應溫度變化來產生形狀變化，從而驅動導熱塊與冷源接觸與斷開，這種熱開關材料要求嚴格對稱，加工精度要求很高，否則會導致熱開關性能不穩(wěn)定；微膨脹型低溫熱開關，主要利用兩種不同材料的膨脹收縮率不同，從而實現(xiàn)熱開關的導通與斷開功能，它的缺點在于兩種材料的熱效應差異有限，使得開關比過?。粺峁苁介_關當溫度較低時工作氣體凝結成固體，熱管停止工作，此時熱開關斷開，通常這種熱開關反應時間較長，且加工較復雜。還有一種結構簡單的熱交換氣體開關，它通過向樣品室內充氣抽氣來實現(xiàn)熱開關的導通與斷開，其主要的缺點是在低溫下很難將氣體抽干凈而效率較低。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單且效率較高的熱開關。上述目的可以通過以下的技術方案來實現(xiàn)，本發(fā)明提供一種熱開關，包括容納有導熱氣體的密閉的容器，該容器的一端為冷端導熱塊，另一端為熱端導熱塊，其中，在該容器內設有吸附器，該吸附器包括吸附器腔體、裝于該吸附器腔體內且吸附該導熱氣體的吸附劑和加熱該吸附器腔體內的吸附劑的加熱機構，在該吸附器腔體上設有用于該導熱氣體進出該吸附器腔體的通氣孔。在一個優(yōu)選實施方式中規(guī)定，加熱機構包括纏繞在吸附器腔體的側壁上的加熱絲，加熱絲產生的熱量通過吸附器腔體被傳給吸附劑。此外，吸附器還包括連接吸附器和該容器的冷端導熱塊的吸附器連接件，用于將吸附器固定在所述容器內。在上述實施例中，通氣孔可以是開設在所述吸附器腔體上的側壁和底壁上的多個孔。而且，所述吸附劑優(yōu)選是活性炭、分子篩或沸石，導熱氣體優(yōu)選是氦氣、氖氣、氬氣或氮氣。本發(fā)明還提供一種用于待測樣品的熱物性測量的測量裝置，包括根據(jù)本發(fā)明的熱開關和測量容納在所述容器內的待測樣品的測量機構，該測量機構例如可以是比熱測量機構或熱導率測量機構等。本發(fā)明的有益效果是與傳統(tǒng)的熱交換氣體開關相比，本發(fā)明根據(jù)吸附劑隨溫度的降低而其吸附量增大的原理，用吸附劑來吸附導熱氣體。當由于吸附劑對導熱氣體的吸附而使容器內達到高真空狀態(tài)時，熱開關處于斷開狀態(tài)。而且通過對加熱機構的加熱量的控制可以控制吸附劑對導熱氣體的吸附量，從而可以控制熱開關的導通或斷開。由于是利用吸附劑吸附導熱氣體來使容器內達到高真空狀態(tài)的，故本發(fā)明的熱開關中無運動部件， 結構簡單，從而提高熱開關的效率。


以下，結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中圖1是本發(fā)明熱開關的實施例的結構示意圖；圖2是使用根據(jù)本發(fā)明熱開關的實施例的測量裝置示意圖。附圖標記一覽表1、容器；2、冷端導熱塊；3、熱端導熱塊；4、吸附器腔體；5、吸附劑；6、加熱絲；7、 通氣孔；8、吸附器連接件；9、制冷機；10、高導熱傳熱部件。
具體實施例方式圖1是本發(fā)明熱開關的實施例的結構示意圖。如圖1所示，密閉的容器1內容納有一定量的導熱氣體，該導熱氣體可以是氦氣、氖氣、氬氣或氮氣等。容器1的一端是冷端導熱塊2，另一端是熱端導熱塊3，該冷端導熱塊2和熱端導熱塊3都是由熱導率大于120W/ m · K的高熱導率材料制成的，例如紫銅、金或銀等。在容器1內還設有吸附器，該吸附器包括吸附器腔體4、吸附劑5和加熱機構，在圖示實施例中，加熱機構為加熱絲6。吸附劑5裝在吸附器腔體4內用于吸附導熱氣體，吸附劑5可以是活性炭、分子篩、沸石或其它吸附性物質。加熱絲6纏繞在吸附器腔體4的側壁上，加熱絲6所產生的熱量通過吸附器腔體4 被傳遞給吸附劑5，用于加熱吸附器腔體4內的吸附劑5。在吸附器腔體4上設有用于導熱氣體進出吸附器腔體4的通氣孔7，多個通氣孔7開設在吸附器腔體的側壁和底壁上。吸附器還包括連接吸附器和冷端導熱塊2的吸附器連接件8，其用于將吸附器固定在容器1內。 容器1的側壁和吸附器連接件8是由熱導率小于30W/m ·Κ的低熱導率材料制成的，例如不銹鋼。圖1所示的熱開關的工作過程如下根據(jù)吸附劑隨溫度的降低而其吸附量增大的原理，通過控制加熱絲6對吸附器腔體4內的吸附劑5進行加熱，可以控制吸附劑5對導熱氣體的吸附量，因此可以調節(jié)容器1內的導熱氣體量。當容器1內充滿導熱氣體時，冷端導熱塊2和熱端導熱塊3之間可以通過導熱氣體進行熱傳遞，此時熱開關處于導通狀態(tài)。當由于吸附劑5的吸附而在容器1內達到高真空狀態(tài)時，冷端導熱塊2和熱端導熱塊3之間幾乎不能通過導熱氣體進行熱量傳遞，此時熱開關處于斷開狀態(tài)。圖2是使用根據(jù)本發(fā)明熱開關的實施例的測量裝置的示意圖，如圖所示，該熱物性測量裝置包括上述的熱開關和測量容納在容器內的待測樣品的測量機構，該測量機構例如可以是比熱測量機構或熱導率測量機構等。待測樣品直接裝在本發(fā)明熱開關的容器里面，且待測樣品不與容器的熱端導熱塊接觸，優(yōu)選的是待測樣品懸空在容器里面。冷端導熱塊與冷源相連，冷源通過冷端導熱塊和導熱氣體將冷量傳遞給待測樣品，降低待測樣品的溫度到測量溫度。圖2所示的測量裝置的具體的工作過程如下本發(fā)明運行的冷源由制冷機9提供， 制冷機9的冷量通過高導熱傳熱部件10傳遞給熱開關的冷端導熱塊。先啟動制冷機9，冷卻過程開始后，熱開關開始工作，容器1內的導熱氣體處于流動狀態(tài)。由于氣體是良好的傳熱媒介，通過導熱氣體的導熱傳熱及對流傳熱使得冷端導熱塊2的冷量快速傳遞給待測樣品，使待待測樣品降溫。隨著降溫過程的進行，吸附劑的溫度也同時降低，使得吸附劑不斷吸附導熱氣體，使降溫速度減慢。此時通過啟動加熱絲對吸附劑加熱，可以維持容器1內一定的導熱氣體量，從而加快降溫過程。當待測樣品降低到最低溫度時，停止對吸附劑的加熱。隨后，隨著吸附劑溫度的不斷降低，吸附劑所吸附的導熱氣體的量越來越大，最終把導熱氣體完全吸附掉，此時熱開關處于斷開狀態(tài)，使得容器內處于高真空狀態(tài)，就可以對待測樣品進行熱物性測量了。雖然已經描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本發(fā)明顯然不應局限于上述的實施例和附圖所示內容。因此，在不超出本申請范圍的前提下，本領域技術人員完全可以根據(jù)上述技術內容和技術教導對本發(fā)明所描述的各單獨特征或特征組合進行修改和改動。
權利要求
1.一種熱開關，包括容納有導熱氣體的密閉的容器(1)，該容器的一端為冷端導熱塊 O)，另一端為熱端導熱塊(3)，其特征是，該容器(1)內設有吸附器，該吸附器包括吸附器腔體G)、裝于該吸附器腔體內且吸附該導熱氣體的吸附劑(5)和加熱該吸附器腔體內的吸附劑(5)的加熱機構，在該吸附器腔體(4)上設有用于該導熱氣體進出該吸附器腔體的通氣孔(7)。
2.根據(jù)權利要求1的熱開關，其特征是，所述加熱機構包括纏繞在所述吸附器腔體(4)的側壁上的加熱絲(6)，該加熱絲所產生的熱量通過所述吸附器腔體被傳遞給所述吸附劑 ⑶。
3.根據(jù)權利要求1的熱開關，其特征是，所述吸附器還包括連接所述吸附器和所述容器的冷端導熱塊O)的吸附器連接件(8)，用于將所述吸附器固定在所述容器(1)內。
4.根據(jù)權利要求2的熱開關，其特征是，所述通氣孔(7)是開設在所述吸附器腔體(4) 上的側壁和底壁上的多個孔。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項的熱開關，其特征是，所述吸附劑(5)是活性炭、分子篩或沸石。
6.根據(jù)權利要求5的熱開關，其特征是，所述導熱氣體是氦氣、氖氣、氬氣或氮氣。
7.根據(jù)權利要求5的熱開關，其特征是，所述冷端導熱塊( 和所述熱端導熱塊(3)由熱導率大于120W/m · K的高熱導率材料制成。
8.根據(jù)權利要求3所述的熱開關，所述容器(1)的側壁和所述吸附器連接件(8)由熱導率小于30W/m · K的低熱導率材料制成。
9.一種用于待測樣品的熱物性測量的測量裝置，其特征是，包括根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的熱開關和測量容納在所述容器(1)內的待測樣品的測量機構。
10.根據(jù)權利要求9的測量裝置，其特征是，所述容器的冷端導熱塊( 與冷源相連，該冷源通過所述冷端導熱塊( 和所述導熱氣體將冷量傳遞給所述待測樣品，降低所述待測樣品的溫度到測量溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱開關，包括容納有導熱氣體的密閉的容器(1)，該容器的一端為冷端導熱塊(2)，另一端為熱端導熱塊(3)，其特征是，該容器(1)內還設有吸附器，該吸附器包括吸附器腔體(4)、裝于該吸附器腔體內用于吸附該導熱氣體的吸附劑(5)和加熱在該吸附器腔體內的吸附劑(5)的加熱機構，在該吸附器腔體(4)上設有用于該導熱氣體進出該吸附器腔體的通氣孔(7)。本發(fā)明主要用于控制測量時熱量傳遞的導通與斷開，與傳統(tǒng)的熱開關相比，其利用吸附劑吸附導熱氣體來使容器(1)內達到高真空狀態(tài)，故本發(fā)明的熱開關中無運動部件，結構簡單，從而提高熱開關的效率。本發(fā)明還提供一種用于待測樣品的熱物性測量的測量裝置，它包括上述熱開關和測量容納在樣品室內的待測樣品的測量機構。
文檔編號F28F27/00GK102288065SQ20101020918
公開日2011年12月21日 申請日期2010年6月17日 優(yōu)先權日2010年6月17日
發(fā)明者劉輝明, 徐冬, 徐向東, 李來風, 龔領會 申請人:中國科學院理化技術研究所