DE10038119A1

DE10038119A1 - Wärmestromschalter

Info

Publication number: DE10038119A1
Application number: DE2000138119
Authority: DE
Inventors: Armin Binneberg; Gunter Kaiser
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2002-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Wärmestromschalter zum aktiven Durchschalten und Trennen thermisch leitender Verbindungen, insbesondere im kryogenen Temperaturbereich. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Schaltpaarung besteht aus der Grundplatte 1 mit der Montagefläche für die Wärmesenke 8 und dem Schaltzylinder 2 mit der Montagefläche für die Wärmequelle 7. Der Schaltzylinder 2 wird im passiven Zustand durch Berylliumbronze-Federn 6 gegen den Anschlagring 3 gepreßt, so daß ein Spalt von ca. 20...50 mum Dicke zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 entsteht und beide Teile thermisch getrennt sind. DOLLAR A Im aktiven Zustand wird der Schaltzylinder 2 durch piezo-elektrische Aktuatoren 4 gegen die Rückstellkraft der Berylliumbronze-Federn 6 auf die Grundplatte 1 gepreßt, wobei zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 ein Wärmestrom übertragen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Wärmestromschalter zum aktiven Durchschalten und Trennen thermisch leitender Verbindungen, insbesondere im kryogenen Temperaturbe reich.

Wärmestromschalter sind zur Reduzierung parasitärer Wärmeleitungsverluste in kryotechni schen Anwendungen erforderlich. In der Satellitenkommunikationstechnik werden Wär mestromschalter zur Kopplung redundanter Kleinkühler an supraleitende Filterbänke benutzt. In der hochempfindlichen Magnetometrie nutzt man Latentwärmespeicher zur Kühlung der hochempfindlichen Sensoren, die zur Rückkühlung an einen Kleinkühler anzukoppeln sind, zur Realisierung langer Meßzeiten jedoch von diesem zu trennen sind.

Zur Realisierung von Wärmestromschaltern werden hauptsächlich drei verschiedene Kon zepte genutzt:

1. Gasspalt-Wärmestromschalter mit ventilgesteuerter Gasversorgung
2. Gasspalt-Wärmestromschalter mit Sorptionspumpe
3. mechanischer Wärmestromschalter unter Nutzung thermischer Ausdehnungsdiffe renzen.

Mit Gasspalt-Wärmestromschaltern lassen sich Wärmeströme, unabhängig von den aktuel len Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke, aktiv schalten. Wärmestromschalter mit ventilgesteuerter Gasversorgung erreichen ein sehr gutes Schaltverhältnis von 100 . . . 1000. Sie erfordern zum Betrieb jedoch ein Helium-Druckgasreservoir und eine elektro pneumatische Ansteuerung, was zusätzliches Einbauvolumen und -masse mit sich bringt. Durch die Komplexität des Systems steigt die Ausfallwahrscheinlichkeit. Diese Nachteile wiegen insbesondere in der Weltraumtechnik sehr schwer. Der Einsatz einer Sorptionspum pe zum Schalten beim Wärmestromschalter verringert Volumen, Masse und Komplexität sehr wesentlich. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, daß nur relativ geringe Schaltver hältnisse von 10 . . . 100 realisierbar sind, die in den meisten Anwendungsfällen unzureichend sind. Ein Wärmestromschalter, wie er z. B. in DE 198 35 305 A1 beschrieben ist, kann ex trem klein, leicht und zuverlässig realisiert werden. Mit diesem Konzept lassen sich prinzipiell die besten Schaltverhältnisse von über 1000 realisieren. Ein aktives, temperaturunabhängi ges Betätigen ist bei diesem Wärmestromschalter nicht möglich und das Schaltverhalten wird wesentlich durch die Ankopplungsbedingungen und die Eigenschaften von Wärme quelle und Wärmesenke bestimmt. Weiterhin zeigen solche Wärmestromschalter z. T. eine extrem starke Hysterese (Einschalten bei 200 K, Ausschalten bei 80 K) und eine hohe me chanische Empfindlichkeit (1 µm Dejustierung verschiebt den Ausschaltpunkt um 10 K).

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer neuen Lösung die Vorzüge aller bisher bekannten Konzepte zu vereinigen, deren Nachteile aber konsequent zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. In den Unteransprü chen sind besonders günstige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Zur Beibehaltung der geringen Masse und Baugröße und zur Realisierung eines hohen Schaltverhältnisses wird ein mechanisches Schaltprinzip genutzt. Die Betätigung des Wär mestromschalters geschieht über eine elektrische Ansteuerung. Zur Realisierung des Schaltwegs werden axiale piezo-elektrische Aktuatoren genutzt. Diese haben ein geringes Volumen, eine geringe Masse und eine hohe Stellkraft. Der relativ geringe Stellweg von ca. 100 µm und die geringe mechanische Leistung stellen in dieser Anwendung keine Nachteile dar. Bedingt durch das piezo-elektrische Prinzip tritt weder in den Aktuatoren noch in deren elektrischen Zuleitungen dissipative Verlustleistung auf. Da nur kurzzeitig dielektrische Ver schiebungsströme fließen können die Querschnitte der elektrischen Zuleitungen zu den Ak tuatoren so klein gewählt werden, daß deren Längswärmeleitungsverluste vernachlässigbar klein werden.

Der Aufbau eines erfindungsgemäß gestalteten Wärmestromschalters ist in der Abbildung dargestellt. Die Schaltpaarung besteht aus der Grundplatte 1 mit der Montagefläche für die Wärmesenke 7 und dem Schaltzylinder 2 mit der Montagefläche für die Wärmequelle 8. Bei de bestehen aus einem Material mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Alumini um, Kupfer oder Saphir.

Der Schaltzylinder 2 wird im passiven Zustand durch Berylliumbronze-Federn 6 gegen den Anschlagring 3 gepreßt, so daß ein Spalt von ca. 20 . . . 50 µm Dicke zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 entsteht und beide Teile thermisch getrennt sind. In diesem Zustand treten nur Wärmeleitungsverluste von der Grundplatte 1 über die drei Distanzhalter 5 und den Anschlagring 3 und parallel über die drei Berylliumbronze-Federn 6 zum Schaltzylinder 2 auf. Durch geeignete Dimensionierung der Federn 6 (viele Windungen) und Distanzhalter 5 (möglichst lang und dünnwandig) und die Auswahl eines Materials mit geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit für die Distanzhalter 5 (z. B. Kevlar-Verbundwerkstoffe) kann der Wärme übergangswiderstand zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 im offenen Zustand auf Werte von 1000 . . . 5000 K/W gebracht werden. Zur Reduzierung des Wärmestrahlungsver lusts können beide Teile zusätzlich noch mit einer Beschichtung mit geringem Emissions koeffizienten, z. B. Hartvergoldung, versehen werden.

Im aktiven Zustand wird der Schaltzylinder 2 durch die drei piezo-elektrische Aktuatoren 4 gegen die Rückstellkraft der Berylliumbronze-Federn 6 auf die Grundplatte 1 gepreßt, wobei zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 ein Wärmestrom übertragen werden kann. Es können dabei Wärmeübergangswiderstände von ca. 1 . . . 2 K/W realisiert werden.

Die typischen Abmessungen eines solchen Wärmestromschalters liegen bei einem Durch messer von 20 . . . 40 mm und einer Höhe von 10 . . . 20 mm. Beim Einsatz von Aluminium für die Schaltpaarung liegt die typische Masse zwischen 6 . . . 50 g.

Claims

1. Wärmestromschalter zum aktiven Durchschalten und Trennen thermisch leitender Verbin dungen, insbesondere im kryogenen Temperaturbereich, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Wärmequelle (8) verbundener Schaltzylinder (2) und dazu korrespondierend eine mit einer Wärmesenke (7) verbundene Grundplatte (1) mittels Druckfedern (6), Distanzhal tem (5) und einem Anschlagring (3) im ausgekoppelten Zustand durch einen Spalt getrennt sind und daß zwischen Grundplatte (1) und Schaltzylinder (2) den Druckfedern (6) entge genwirkende piezo-elektrische Aktuatoren (4) angeordnet sind.

2. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei piezo elektrische Aktuatoren (4) und Druckfedern (6) sowie zugeordnete Distanzhalter (5) gleich mäßig verteilt angeordnet sind.

3. Wärmestromschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckfe dern (6) Berylliumbronze-Federn mit hoher Windungszahl eingesetzt werden.

4. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ausgekoppelten Zustand der Spalt zwischen Schaltzylinder (2) und Grundplatte (1) eine Dicke von 20 . . . 50 µm hat.

5. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Grundplatte (1) und Schaltzylinder (2) aus Aluminium, Kupfer oder Saphir bestehen und mit einer Beschichtung mit geringem Emissionskoeffizienten, vorzugsweise Hartgold, versehen sind.

6. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzhalter (5) möglichst lang und dünnwandig ausgebildet sind und aus einem Material mit geringer spezi fischer Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise Kevlar-Verbundwerkstoff, bestehen.