摘 要:为了在低温温度标定系统中实现超宽温区控温，研制了一种以电磁力驱动的主动机械式热开关，相比常规的气隙式或者材料热胀冷缩式热开关，具有工作温区宽、响应速度快等优点。以一台两级G-M低温制冷机为冷源，搭建了温度低至4.2 K的低温热开关性能试验台。通过升降温过程中的控温对比实验，测得该热开关在50 K时闭合热导为1.5 W/K，断开热导为1.2 mW/K，开关比为1 250；在240 K时闭合热导为0.4 W/K，断开热导为0.5 mW/K，开关比为80。
关键词:低温 热开关 电磁式 开关比
1 引 言
低温热开关是低温工程领域用于实现目标和冷源之间热流通断控制的主要技术手段，在空间制冷及低温物理研究中应用较为广泛。从工作原理上，热开关可分为机械式热开关和气隙/液隙式热开关，两者的主要区别在于换热形式，前者主要为固体导热，后者则主要为自然对流。从控制机制方面来说，热开关又可分为被动式热开关和主动式热开关，其区分点在于是否需要有外部控制措施。
在机械式热开关研究方面，Dietrich等人[1]研制了一种工作于100 K附近的被动式热开关，利用高分子聚乙烯塑料的冷却收缩性质，挤压冷热端材料并最终接触，形成热通路，其闭合热导为1 W/K，断开热导为3 mW/K，开关比为333。上海技术物理研究所[2]设计了一种双向膨胀式热开关，也是利用不同材料的线膨胀系数差异实现热开关的启闭动作，其闭合热阻为0.96 K/W，断开热阻为527 K/W，开关比为548。中国科学院理化所王美芬等人[3]设计了一种微膨胀式热开关，亦利用材料热胀系数的差异，由支撑芯控制不同温度下的热通路通断，闭合热阻为1.1 K/W，断开热阻达1 400 K/W，开关比最大为1 410。气隙式热开关研究方面，Franco等人[4]通过巧妙的加工方式，研制出了一套导热间隙仅为17 μm的气隙式热开关。300 K时冷热端之间的间隙约13 μm，当温度低于70 K时，这一间隙扩大至17 μm。以氮气为工质的测试表明，在75K时的闭合热导为0.14 W/K，开关比为40。Vanapalli等人[5-6]研制了一种平板型气隙式热开关，在平板内侧布置翅片以增加换热面积，他们分别以氦气、氢气及氮气作为换热工质进行了测试，开关比分别为36.8±6.7、35.1±6.3和16.5±6.3。
文献调研表明，以往大多数热开关的结构比较复杂，工作条件限制较多，通常只能实现小范围温区内的热通路有效控制，且控制响应较慢。这些方面使得此类热开关无法满足诸如宽温区低温温度计标定的低温应用。在以制冷机为冷源的低温温度标定系统往往要求控温温度从液氦4.2 K直至室温300 K，要对如此宽温区下实现热通路的精准控制存在技术挑战。本文研制了一种以电磁力驱动的主动机械式热开关，其工作温度范围广，响应迅速，并以G-M制冷机为冷源搭建试验台，对其升降温性能和开关比进行了测试。
2 电磁驱动式热开关的设计与测试
2.1 电磁驱动式低温热开关设计与工作机制
图1a和图1b分别为所述电磁驱动式热开关的结构原理图和实物图。电磁热开关主体分为冷端、热端、支撑结构和热桥4部分。其冷端、热端及热桥均采用无氧铜进行加工，支撑结构采用不锈钢(304SS)和聚醚醚酮(PEEK)制作，无氧铜材料可保证在通路状态下热开关实现较高的热导，而不锈钢和聚醚醚酮可保证在断开状态下实现较大热阻。为实现对热开关的主动控制，装置上配备了两块电磁铁和永磁铁，前者可通过外部电流激发磁场，带动热桥移动，进而实现开关状态的控制，后者可在去除外部电流后，维持热开关的状态。
图1 低温电磁驱动式热开关结构和实物图
Fig.1 Schematic of cryogenic electromagnetic driven thermal switch
该热开关应用于以制冷机为冷源的低温温度标定系统时，具有以下优点：(1)结构简单可靠，无需精密加工，可重复使用。(2)闭合和断开状态下，相应材质的导热性存在巨大差异，可实现较大的开关比。(3)通过对电磁铁供断电与否来控制磁场力，其开关响应时间短、速度快。(4)对温度依赖性小，工作温区宽，可适用于室温以下的整个低温温区。(5)电磁铁只在开关动作时通电，产生热量极小，可基本消除焦耳热对低温系统的影响。
2.2 基于G-M制冷机的低温热开关性能测试装置
对于以制冷机为冷源的低温温度标定系统，要实现不同温度点的控温，通常采用引入电加热进行热补偿来实现。当目标温度较高时，比如接近室温的250 K，需要很大的电加热负荷来抵消制冷机的制冷量，不仅其控温过程的波动特性被放大，而且使得小型低温制冷机的运行偏离其优化设计温区，甚至造成对制冷机的损伤。因此，对存在超宽温区的控温需求来说，直接给制冷机冷头加热以热补偿控温的方式不可取。而通过在制冷机冷头和标定恒温块之间添加热开关就可以避免上述问题，以较小的输入加热量来实现大温区的控温。
为了测试所研制的电磁驱动式热开关传热和控温特性，搭建了如图2所示的以小型制冷机为冷源的热开关性能测试装置。其中所用的制冷机为日本408D2两级G-M低温制冷机，其二级冷头可获得低至2.6 K的极限无负荷制冷温度，在4.2 K时能提供1 W制冷量。实验中温度控制由Cryocon Model 24C温控仪、ITECH直流电源及加热器联合实现，数据采集主要cDAQ 9174 机箱、9219数据采集卡等完成。通过分子泵真空机组对腔体进行抽空至10-3 Pa以下，为测试单元提供高真空绝热保护。
图2 热开关测试装置示意图
1.制冷机；2.接分子泵机组；3.真空股；4.一级冷头；5.冷屏；
6.加热器(连接控温仪)；7.热开关；8.二级冷头；9.真空罩。
Fig.2 Schematic of thermal switch performance test device
被测热开关安装在两级G-M制冷机的二级冷头上，其冷端与二级冷头紧密相连，热端与用于模拟温度标定的恒温块相连，恒温块上装有加热器，如图1b所示。共设置4个温度测点，由上至下分别为冷端温度T1、热桥上端温度T2、热桥下端温度T3和热端温度T4。其中，T1、T4用于计算热开关的传热系数，T2、T3用于计算闭合时的热通量。
实验具体步骤为：
(1)在热开关闭合状态下，打开低温制冷机及数据采集程序，对系统降温；
(2)当热端温度降至4.2 K以下后，断开热开关，选定工作温区内的温度点，逐点对热开关热端进行控温，并记录温控仪输出功率及热开关上温度的分布；
(3)控温过程结束后，断开温控仪控温回路，并关闭制冷机。
3 低温电磁热开关热导系数及开关比特性
3.1 热开关测试装置的降温特性及控温范围
热开关闭合状态降温时，其热端的温度变化曲线图如图3a所示。需要说明的是，测量T2和T3所用的传感器是两支铂电阻温度计，可测温度下限为23 K，所以热桥温度在23 K以下没有数据；而其他温度测点则采用Cernox温度计，可获得最低至1.4 K的低温读数。由图可知，热端温度在1.5 h内即可降温至4.2 K，对比图3b制冷机在空载工况下的耗时1.25 h，说明该热开关在闭合状态下并没有引入多大的热容和热阻，具有优异的导热性能。它满足低温温度标定系统的快速降温要求，从而实现较高的标定效率。
图3 热开关的降温速度特性
Fig.3 Cooling down behavior of thermal switch
图4a给出热开关在断开状态下对热端温度响应特性。当热端温度低于40 K时，如果将热开关置于断开状态，制冷机的冷量无法有效传递到热端，而环境的辐射热量会使其温度迅速上升，使得无法实现40 K以下的控温目的，因此这类工况时应将热开关置于闭合状态。此外，在热补偿输入功率小于1.8 W的情况下，只要启用热开关的断开模式，可以轻易将热端目标温度控制在40 K至室温300 K间宽广温区范围内的任意温度。作为对比，图4b为不安装热开关而直接对制冷机冷端恒温块进行控温的温度过程曲线。可见，在无热开关情况下，控温仪(最大输出50 W功率)只能在4.2—35 K范围内进行有效控温。因此，该热开关的存在使低温温度标定系统的控温范围大幅增加。
图4 热开关装置控温温区与直接制冷机冷头控温方式对比
Fig.4 Temperature control range comparison between system with and without thermal switch
为了实现稳定的温度控制，需要将用于热补偿的加热功率控制在较小的范围内。因此，热开关断开情况下其控温仪加热功率随热端温度的关系也是衡量热开关性能的重要方面。图5给出了热开关闭合情况下冷端温度与热端温度的平衡关系，比如当热端温度为280 K时，冷端温度不足5.3 K，即在热开关两端的温差已达到近275 K；而由图6可知，此时施加在热端的加热功率仅为1.6 W。即热开关在断开情况下具有较理想的阻热效果，可以在极小的补偿功率下，实现大温差跨度。
图5 热开关冷端温度与热端温度的对应关系
Fig.5 Relationship between temperatures at the cold and hot ends of thermal switch
图6 热端加热功率与热端控温温度的关系
Fig.6 Relationship between heating power and controlling temperature at the hot end of thermal switch
3.2 热开关导热性能及开关比
上述降温曲线及控温温区情况可以反映该热开关的工作性能，而等效热导数据以及开关比能够更加定量地描述热开关的处理能力。由上文所述，因环境辐射漏热使得所述热开关在断开状态下控温热端无法低于40 K温度，因此下文仅在50—240 K温区内对其导热性能进行考察。图7给出了该热开关在闭合状态下的热导(热阻的倒数，非导热系数)随温度的变化情况，在240 K时其热导约为0.4 W/K，达100 K以下后随温度迅速上升，到50 K时约为1.5 W/K，之后将以更大的速率上升。作为对比参考，该图中也给出了铜的导热系数曲线，发现两者有较强的相关性，其原因主要是由于热开关在闭合时主要依靠热桥和支撑结构传热，二者属于并联导热关系，其总体导热能力取决于较强的一方，即无氧铜制作的热桥。
图7 热开关闭合状态的等效热导
Fig.7 Effective thermal conductance of thermal switch under ON mode
图8给出了热开关断开状态下的等效热导及PEEK材料、不锈钢材料的导热系数随温度变化曲线。热开关的断开热导随热端温度增加而增大，50 K时为1.2 mW/K，到240 K时为5 mW/K。在断开状态下，热开关的热传递主要依赖于支撑结构的导热及辐射，但由于热开关中间部分组件较多，所以冷、热端之间的直接辐射换热被遮挡，相对导热来说很小。此外还发现，热开关的断开热导曲线规律与PEEK较相似，因为PEEK垫片与不锈钢柱属于串联导热关系，总传热能力取决于较弱的一方，而PEEK的热导率远小于不锈钢，因此热开关的热导趋势更接近于PEEK。
图8 热开关断开状态的等效热导
Fig.8 Effective thermal conductance of thermal switch under OFF mode
开关比Kon/off是衡量热开关通断热流作用最普遍采用的一个指标,其定义为热开关在工作温度下闭合热导与断开热导的数值比，可反应热开关对热通路的调节能力大小。图9为热开关的开关比随温度变化规律。该热开关的开关比总体随温度升高而减小，在50 K时的开关比约为1 250，240 K时为80左右。曲线走势与图7中铜的导热系数变化趋势类似，原因在于热开关闭合状态下导热依靠铜质热桥，而断开状态下换热主要依赖于辐射和PEEK材料，后者传热效果极差，波动较小，两者综合作用导致图示变化趋势。图中通过与文献中开关比数据进行对比，可知电磁式热开关在实现宽温区工作的前提下，依然能够保障较高的开关比，但在100 K附近，热开关的开关比相对较小。
图9 热开关的开关比随温度变化规律
Fig.9 Switching ratio of the thermal switch against temperature
此外，热开关在断开情况下，随热端温度升高，其与冷屏之间的温差会逐渐增大，辐射换热量也随之增大，该变化导致实验测得的热端补偿热流大于热桥上的实际热流，即热开关的断开热导偏大，因此，在消除辐射影响后，热开关在高温区的开关比特性可进一步提升。
4 结 论
介绍了一种可实现宽温区温控的主动机械式热开关，依据电磁驱动原理实现开关操作，同时利用永磁体和电磁铁的巧妙配合，在电磁铁不通电的情况下可以维持闭合或断开状态。通过多次升降温和控温实验，测得增加热开关且处于闭合状态时，相同测试恒温块的温度可在1.5 h之内降至4.2 K，仅比无热开关的直接连接方式多用了0.3 h；但其却可以在同一台两级G-M制冷机的二级冷头上利用同一台低温温控仪的情况下，将控温范围却从4.2—35 K扩展到4.2—280 K；50 K时的开关比达1 250，各方面性能均可满足低温温度标定系统应用要求。
