本发明属于极低温物理领域，具体涉及一种差动热膨胀型气隙热开关、其制备方法及制冷机。
背景技术：
1、气隙热开关是一种具有可控可变热传导能力的部件，是稀释制冷机等极低温设备实现低温热管理的关键部件。它可以在热端和冷端之间选择性地提供高效的热传导和可靠的热隔离。相比于其他热开关技术，其应用的优势在于：无运动部件，稳定可靠；可实现较高的开关比；结构简单，便于拆卸安装，可灵活布置，易拓展等。
2、气隙热开关的基本原理是通过控制狭窄间隙内气体的存在与否来实现热开关的通断，其功能性结构主要包括：冷端导体、热端导体、支撑外壳。如果依靠活性炭的吸附作用来控制气体，则还包括吸附泵。气隙热开关在工作时存在两条热回路：第一条热回路:冷端导体-低热导的外壳-热端导体。第二条热回路：冷端导体-气隙(气体)-热端导体。其中，第一条热回路的热导依赖于外壳在不同温区下热导的变化，核心影响因素是外壳的几何尺寸和材料类型，它决定了热开关断开状态下的热导。第二条热回路的热导依赖于气体的存在与否。当气隙中存在气体时，此条回路处于闭合状态，热导较大；气隙中气体被所吸收时，此条热回路被断开，认为其热导为0。第二条热回路的核心影响因素是气隙的尺寸和换热面积的大小，它主要决定了热开关闭合状态下的热导。理想的气隙热开关，在on的状态具有较大的热导，在off的状态具有较小的热导。on状态下的热导和off状态下的热导之比，被定义为热开关的开关比。
3、制作一个原理性的气隙热开关并实现其功能并不复杂。但制作高性能(如热开关比接近1000量级)、可实用的气隙热开关具有难度。现有的主要技术难点体现在on状态高热导的实现。如前所述，off状态低热导的实现，只需要采用低温下低热导的材料，如不锈钢或者钛合金，并尽量减薄、加长外壳。而在on状态实现高热导，要么增大冷端和热端的换热面积，要么尽量减小气隙尺寸。通常增大换热面积的方案是采用翅片设计。而减小气隙尺寸，理论上应该达到数十到100μm量级。这一尺寸量级的间隙在装配及焊接时难以保证，除非采取特殊的方法或工装。一旦冷端和热端导体在间隙处存在触碰，则即使腔体里的气体被完全吸收，热回路也难以有效断开，最终将导致气隙热开关的制作失败。
技术实现思路
1、因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种差动热膨胀型气隙热开关、其制备方法及制冷机。以实现极小间隙气隙热开关的研制，同时适当降低对机加工和装配的精度要求，使得热开关的批量化研制成为可能。
2、在阐述本
技术实现要素：
之前，定义本文中所使用的术语如下：
3、术语“304不锈钢”是指：密度为7.93g/cm3，含有18％以上的铬和8％以上的镍，耐高温800℃，具有加工性能好，韧性高的特点的不锈钢。
4、术语“316不锈钢”是指：化学成分为:c≤0.08，si≤1.00，mn≤2.00，p≤0.035，s≤0.03，ni:10.0～14.0，cr:16.0～18.5，mo:2.0～3.0的不锈钢。
5、术语“gm制冷机”是指：gifford-mcmahon型循环制冷机，其通常利用绝热放气膨胀原理获得低温。
6、为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种差动热膨胀型气隙热开关，所述差动热膨胀型气隙热开关包括：冷端端头、外壳、冷端导体和热端导体；其中：
7、所述冷端导体的一端插入所述冷端端头的中心孔内，并且所述热端导体的一端插入所述外壳的内壁。
8、根据本发明第一方面的差动热膨胀型气隙热开关，其中，
9、所述冷端导体和所述热端导体的材料具有良好的热导率，优选为无氧铜；和/或
10、所述冷端端头和所述壳体的材料为304不锈钢和/或316不锈钢。
11、根据本发明第一方面的差动热膨胀型气隙热开关，其中，
12、所述冷端端头位于所述外壳的一端；和/或
13、所述冷端导体和所述热端导体的末端均留有螺纹结构，以和冷板安装固定。
14、根据本发明第一方面的差动热膨胀型气隙热开关，其中，所述冷端导体和所述热端导体的形状为柱形，优选为圆柱形。
15、根据本发明第一方面的差动热膨胀型气隙热开关，其中，所述差动热膨胀型气隙热开关还包括：
16、位于所述冷端端头的侧面的用于连接吸附泵管道的小孔通道；和
17、具有密封了吸附性材料的腔体结构的吸附泵；
18、优选地，所述吸附性材料选为活性炭和/或碳纳米管，最优选为活性炭。
19、本发明的第二方面提供了制备第一方面所述的差动热膨胀型气隙热开关的方法，所述方法包括以下步骤：
20、(1)将所述热端导体的一端和所述壳体、所述冷端端头和所述吸附泵管道、所述冷端导体的一端和所述冷端端头连接在一起；
21、(2)将连接好的所述冷端端头和所述壳体的另一端进行连接，即得所述差动热膨胀型气隙热开关。
22、根据本发明第二方面的方法，其中，
23、所述步骤(1)中，所述连接的方法为焊接，优选为真空焊接或银焊，更优选为真空钎焊焊接或银焊；和/或
24、所述步骤(2)中，所述连接的方法为氩弧焊和/或激光焊焊接。
25、根据本发明第二方面的方法，其中，所述方法包含以下步骤：在将所述冷端端头和所述壳体的另一端进行连接时，对所述螺纹结构进行初始预紧，以控住初始间隙并检验初始间隙；
26、更优选地，所述检验初始间隙的方法进一步包括：测量所述冷端导体和所述热端导体的端面的温度，通过所述热端导体的端面的温度的变化趋势，以判断所述差动热膨胀型气隙热开关在低温下能否断开，及检验初始间隙是否适宜。
27、根据本发明第二方面的方法，其中，所述方法还包括：
28、连接吸附泵，向所述吸附泵内填充氦气并进行密封。
29、本发明的第三方面提供了一种稀释制冷机，所述稀释制冷机包括第一方面所述的差动热膨胀型气隙热开关。
30、针对现有气隙热开关整体技术不够成熟，在小间隙控制和高精度加工、装配方面存在困难，本发明提出一种差动热膨胀型气隙热开关的制作和测试方法，以实现极小间隙气隙热开关的研制，同时适当降低对机加工和装配的精度要求，使得热开关的批量化研制成为可能。
31、差动热膨胀型气隙热开关的基本原理是借助两种材料低温下线膨胀的差值，自然形成微小间隙，如图2所示。理想地，在室温下，冷端导体和热端导体能够刚刚接触，腔体内充满氦气。在降温过程中，中心导体的收缩量大于外壳的收缩量，内部会自然形成间隙，冷端导体和热端导体主要通过间隙内的氦气进行热交换。降到一定温度后，吸附泵将整个腔体内的氦气吸附。此时两端导体间的间隙依然存在，他们只能通过低热导的外壳传热，因此相当于处于断开状态。
32、为实现上述工作，本发明提出的热开关基本结构、制作、测试方法如下。
33、基本结构：它主要包括1冷端端头、2小孔通道、3外壳、4冷端导体、5热端导体，如图1所示。冷端导体和热端导体均为圆柱形铜柱。冷端导体的一端插入冷端端头的中心孔内。热端导体的一端插入外壳的内壁。冷端导体和热端导体的材料均为高导无氧铜。冷端端头、壳体的材料为304或316不锈钢。冷端导体和热端导体的末端都留有螺纹孔，用于和冷板安装固定。冷端端头的侧面开有小孔通道，用于连接吸附泵的管道。吸附泵为密封有吸附性材料的腔体。
34、制作方法：在完成部件加工后，需要进行组合焊接。第一步，将热端导体的一端和壳体，冷端端头和吸附泵管道，冷端导体的一端和冷端端头，分别采用真空钎焊焊接为一体。第二步，将焊接好的冷端端头和壳体的另一端对紧，采用氩弧焊或激光焊焊接。这样，就可以完成热开关主体部分的制作。第三步，连接吸附泵，给腔体充氦气并密封，就可以实现热开关的正常工作。在上述制作过程中，将冷端端头和壳体进行对紧焊接时，对于初始间隙的控制极为重要。初始间隙过大过大，低温下间隙会更大，影响on状态热导。而初始间隙过小，由于冷端导体和热端导体的表面不够平行和光滑，此外还有可能的焊接变形，极易造成低温下不能完全断开。为了解决这一问题，本发明提出，在第二步焊接时，依靠螺纹结构来进行初始预紧，以调节和保证初始间隙。在这个基础上，结合热开关在不充氦气时的预测试(见后文)，来测试间隙是否满足最终要求。
35、测试方法：对热开关的测试分为预测试和性能测试。
36、预测试：在对每个尺寸的热开关进行初次研制时，需要首先进行预测试——即不安装吸附泵，不对腔体充氦气，只测量其冷端温度和热端温度。通过热端温度的变化趋势，可以判断热开关在低温下能否断开，检验预留间隙是否合适。如果冷端导体和热端导体能够正常断开，则两者仅仅通过不锈钢外壳进行导热，因此会存在较大的热阻，进而会维持一定的温差。而如果热端温度在冷端温度趋于稳定后会一直降低，并接近冷端温度，那么很大的可能是两者没有完全断开。在预测试中，冷端导体和热端导体的稳态温差为多大时算是正常状态，这个和通过两端的热流密度有关，需结合实验判定。
37、性能测试：预测试确认热开关能够正常断开后，进一步充气进行热开关的性能测试，即在预测试的基础上，焊接吸附泵，并给吸附泵充入一定的高纯氦气。吸附泵的一端通过不锈钢管和热开关主体相连，另一端在充气完成后，通过剪断的方式密封。同时，它还通过铜辫子和冷源连接，以保证其可以被冷却至较低的温度。完成充气后，按照如下流程进行测试：给吸附泵加热一定功率(加热功率的大小取决于吸附泵的质量、热容、铜辫子的导热能力等，可以通过实验测定)，以在降温过程中，使吸附泵的温度维持在转变温度(约10-15k)以上；开启制冷机降温；实时记录各测点(冷端温度；热端温度；吸附泵腔体温度)的温度。若吸附泵腔体的温度在转变温度以上，则热开关处于闭合状态。若吸附泵腔体的温度在转变温度以下，则热开关处于断开状态。通过对吸附泵腔体施加和取消加热，可以控制热开关在断开和闭合状态转变。在断开和闭合状态下，分别对热开关的热端进行给定功率的加热测试，待温度分布稳定后，可以得到热开关在不同状态下的平均热导。这样，就完成了其性能测试。
38、本发明提出一种差动热膨胀型气隙热开关的制作和测试方法。所述热开关整体结构简单，易于加工。相比于传统的气隙控制方法，所述差动热膨胀法可以产生极小的间隙，而不必要求极高的加工精度。焊接时采用螺纹结构辅助，一定程度上可使得初始间隙可调可控。配合所述预测试的方法，可以基本保证热开关在低温下能够断开，提高了制作的成品率。本发明所述热开关已经小批量试制成功，指标良好，且已在稀释制冷机系统上得到成功应用。
39、与现有技术相比，本发明的差动热膨胀型气隙热开关可以具有但不限于以下有益效果：
40、所述气隙热开关的整体结构简单，易于加工制作，尤其对于长尺寸的热开关(如200mm长度，传统的翅片式结构可能难以加工)。相比于传统的翅片式气隙控制方法，利用线膨胀差值的方法可以生产极小的间隙，而不必要求极高的加工精度。在焊接时采用螺纹结构辅助，可以使得初始间隙可调可控，一定程度上减小由于装配所带来的不确定性。在这个基础上，再配合预测试的方法，可以基本保证热开关在低温下能够断开，提高了制作的成品率。尽管气隙热开关并不建议承受外力，但本发明差动热膨胀型气隙热开关的结构和焊接工艺，具有较好的抗拉强度，甚至可以辅助替代支撑结构使用(已经在预冷超导磁体时验证)。
1.一种差动热膨胀型气隙热开关，其特征在于，所述差动热膨胀型气隙热开关包括：冷端端头、外壳、冷端导体和热端导体；其中：
2.根据权利要求1所述的差动热膨胀型气隙热开关，其特征在于：
3.根据权利要求1或2所述的差动热膨胀型气隙热开关，其特征在于：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的差动热膨胀型气隙热开关，其特征在于，所述冷端导体和所述热端导体的形状为柱形，优选为圆柱形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的差动热膨胀型气隙热开关，其特征在于，所述差动热膨胀型气隙热开关还包括：
6.制备权利要求1至5中任一项所述的差动热膨胀型气隙热开关的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：在将所述冷端端头和所述壳体的另一端进行连接时，对所述螺纹结构进行初始预紧，以控住初始间隙并检验初始间隙；
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
10.一种稀释制冷机，其特征在于，所述稀释制冷机包括权利要求1至5中任一项所述的差动热膨胀型气隙热开关。
