EP2795212A1 - Interrupteur thermique, cryo-refroidisseur et installation comprenant un tel interrupteur thermique - Google Patents

Interrupteur thermique, cryo-refroidisseur et installation comprenant un tel interrupteur thermique

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EP2795212A1
EP2795212A1 EP12795544.1A EP12795544A EP2795212A1 EP 2795212 A1 EP2795212 A1 EP 2795212A1 EP 12795544 A EP12795544 A EP 12795544A EP 2795212 A1 EP2795212 A1 EP 2795212A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermal
switch
solder
switch according
cryo
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12795544.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Clément CHASSAING
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Publication of EP2795212A1 publication Critical patent/EP2795212A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface

Definitions

  • Thermal switch comprising such a thermal switch
  • the present invention relates to a thermal switch, a cryocooler comprising such a switch, and a corresponding installation.
  • the invention relates more particularly to a thermal switch for a cryogenic system, the switch comprising a first end intended to be connected to the cold part of a cryo-cooler, a second end intended to be connected to an application to be cooled, the first and second ends being relatively movable between a first position in which the first and second ends are thermally connected to provide thermal bonding and a second position in which the first and second ends are thermally separated to reduce or interrupt thermal bonding.
  • a thermal switch is a selective thermal bonding member.
  • the thermal switch has a very good thermal conduction as long as it is not activated (for example between 1 and 10W / K).
  • This switch can be placed anywhere on the thermal path that connects the cold source (for example: a cold finger of a cryocooler) and the application that must be cooled.
  • thermal switch avoids any significant deterioration of the thermal conductivity of the entire thermal path.
  • thermal switch When the thermal switch is activated, it becomes a very bad thermal conductor for example with a thermal conductivity typically between 0.0001 W / K and 0.05W / K (for a thermal switch sized for a few watts before activation). The cold source is then thermally totally or almost isolated from the application.
  • the switch is definitely a bad thermal conductor, that is to say that only a heavy repair can repair the thermal switch to make it again driver. We can then in this case qualify the switch of "thermal fuse”.
  • Such a switch can be used in the space domain, in application cooling circuits such as detectors, optical organs or all devices that require cooling at cryogenic temperatures (typically between 0 and 200K). Electric cryogenics is nowadays widely used because it offers a high temperature stability and is more flexible than passive cooling.
  • each application 8 to be cooled is cooled by two cryo-coolers 7, 17 arranged in parallel. In this way, if for one reason or another, the first cryo-cooler 7 in operation fails, then the second cryocooler 17 is able to replace it (and vice versa).
  • cryo-coolers 17, 7 each having a maximum cooling power of three watts are connected in parallel and without a thermal switch to an application 8.
  • the first cryo-cooler 7 In the case of an application 8 to cool requiring cooling to 60K and a power of two watts, in nominal mode, the first cryo-cooler 7 must provide three watts of cold power at 60K (denoted "-3W" in the figure). Indeed, the first cryocooler will have to provide two watts of cold power to cool the application (noted "+ 2W” in the figure) and typically a watt of cold power to compensate for parasitic heat losses generated by the second cryo-cooler when stopped (noted "+ 1W” in the figure). That is to say, the cryo-cooler 7 provides all its cold power (100% in the figure) while the other 17 is stopped (0% in the figure).
  • the thermal switch 10 When the thermal switches are integrated, as shown in FIG. 6, in degraded mode (failure of one of the two cryo-coolers), the thermal switch 10 corresponding to the cryo-cooler 17 down (0%) and activated. The parasitic thermal losses of the latter are therefore removed and reduced to zero watt (0W).
  • the other cryo-cooler 7 can provide only the two watts of cold power (-2W) needed by operating at two thirds of its maximum power (66%, see Figure 6).
  • the thermal switches have a great interest.
  • the maximum cold power available for the application is two watts (three watts of cold power produced which one watt is "lost" to cool the cryo-cooler down). With the thermal switches the maximum available cold power is three watts when the switch corresponding to the failed machine has been activated (three watts for application 8 and zero watt lost for cryo-cooler failure).
  • the main advantage of this architecture is to significantly increase the maximum cold power available at the application without changing the cryogenic performance of each of the cryo-coolers.
  • the maximum cold power available at the application level is increased by 50% in degraded mode.
  • the document WO071 16157 A3 describes a thermal switch comprising a single piece forming a body of homogeneous thermally conductive composition and an actuator adapted to open said switch by mechanical breaking of said thermal connection element.
  • This device allows operation as described above and ensures the same thermal conditions.
  • these technical solutions chosen to perform the thermal switch function are currently not satisfactory.
  • the monobloc material typically Sapphire
  • This fragility is incompatible with a launch phase of a spacecraft.
  • the mechanical solutions to strengthen this system are cumbersome to implement and consume cold power.
  • the one-piece material (typically Sapphire) making the thermal bond (or not) is an additional component that deteriorates significantly thermal conductivity for essentially two reasons.
  • the weakened zone is a source of thermal resistance, and, on the other hand, because the two thermal contacts necessary on both sides of this component are also sources of thermal resistance.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the thermal switch according to the invention is essentially characterized in that, in the first position, the first and second ends are connected to each other. mechanically and thermally to one another via a fusible solder, the switch further comprising a return member exerting a separation force of the first and second ends and a selective heating member of the solder to weaken the latter and cause separating the first and second ends by breaking the solder under the action of the return member.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the solder ensures a mechanical connection force between the first and second ends greater than the force for separating the return member and in that the selective heating of the solder decreases the mechanical connection force brazing between first and second below the force of separation of the return member,
  • the solder in the first position, the solder forms a mechanical bonding layer interposed between the first and second ends and directly in contact with these ends,
  • the solder has a melting point of between 250 K and 1000 K and preferably of between 300 K and 600 K,
  • the solder is composed of at least one of the following materials; Tin, Indium, Lead, Silver, Copper, Antimony, Bismuth, Zinc, Cadmium, Gold, Plastic, Mineral or Vegetable,
  • the return member comprises at least one of: a tension spring, a compression spring, a mechanism exerting a separation force between the two ends, the return member comprises a compression spring having an upstream end bearing on a bearing surface of the first end and a downstream end bearing against a bearing surface of the second end, in the first position the spring being in the compressed state,
  • the heating element comprises at least one of: an electrical resistance, an inductive heating system,
  • the second end of the switch is composed of at least one of copper, titanium, stainless steel, aluminum or any other thermally conductive material having a thermal conductivity greater than 4 W / (m ⁇ K),
  • the first end of the switch is composed of at least one of copper, titanium, stainless steel, aluminum or any other thermally conductive material having a thermal conductivity greater than 4 W / (m ⁇ K),
  • the solder may be composed of the combination of several mixed or non-mixed materials such as one or more metallic materials, one or more glasses, ceramics, one or more plastics, one or more plant materials,
  • one or some of the materials composing the solder may be a relatively poor thermal conductor (that is to say having a thermal conductivity of between 0.01 W / (mK) and 5 W / (mK)) provided that overall the solder has a good thermal conductivity, that is to say between 1 and 100W / K,
  • the solder may be partially or totally composed of reagents that will react chemically during activation of the thermal switch, for example an exothermic chemical reaction or a pyrotechnic (explosive) system, the activation of such a chemical reaction can be generated by a detonator, for example electrical or other,
  • a detonator for example electrical or other
  • the heating element can be integrated at the level of the solder itself,
  • the heating element can be integrated at the level of the cryogenerator, the thermal application or at any other point in the thermal system comprising the thermal switch,
  • the return member ensuring the mechanical force of separation of the two ends can also provide a partial or complete sealing function around the solder, for example the return member comprises a metal bellows or other to firstly separate the two ends during activation and, secondly to limit the propagation of vapors generated by heating of the solder,
  • the spring can be replaced by another means exerting a force of separation of the two ends: a force of gravity, a magnetic field, a mechanical stress exerted by the cryogenic chain, or other,
  • the thermal switch can be integrated anywhere in the cooling system of the application,
  • the thermal switches are preferably integrated when at least two cryo-coolers are used, (there is no limit in number of cryo-coolers nor in number of applications to cool, since enough thermal switches are integrated in the system),
  • the present invention can be used for thermal machines or systems producing heat and not cold as above, in this case, the breaking temperature of the solder may typically be significantly higher than those described above, for example 1200K .
  • the invention relates to a cryocooler comprising a cryogenic cold generator provided with a cold finger selectively connected to an application to be cooled comprising a thermal switch according to any one of the above characteristics or hereafter.
  • the invention relates to a cooling system for an application comprising at least two cryo-coolers connected in parallel with the application, at least one of the cryocooler being connected to the application via a switch.
  • thermal the at least one thermal switch being in accordance with any of the features above or below.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • the present invention is primarily intended for space applications, situation where the human intervention is very difficult and where the reliability must be very important. However, this invention can be applied to any spatial system or not.
  • FIG. 1 represents a schematic and partial view illustrating a part of an exemplary cooling installation according to the invention
  • FIG. 2 represents an enlarged view of a detail of FIG. 1 diagrammatically illustrating an exemplary embodiment of a thermal switch according to the invention in a first thermally conducting position
  • FIG. 3 represents a view similar to FIG. 4 in which the thermal switch is in a second thermally non-conducting position
  • FIG. 4 represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a cooling installation of an application according to the prior art without a thermal switch
  • FIG. 5 represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a cooling installation of an application using thermal switches in a first operating configuration
  • Figure 6 shows the installation of Figure 5 in a second operating configuration.
  • FIG. 1 diagrammatically illustrates an installation for cooling an application 8.
  • FIG. 1 represents only one cryo-cooler 7 thermally connected to the application 8.
  • the application 8 can be connected to a second cryocooler identical or not as illustrated in Figures 5 and 6.
  • the cryocooler 7 comprises, for example, a compressor 6 and a machine 5 which produces cryogenic cold at a cold end, generally called a "cold finger".
  • the cryo-cooler 7 is for example electrically operated.
  • the cryo-cooler 7 is for example of the pulsed tube type type Inc., Stirling, Brayton, Thomson Joule, Gifford Macmahon or other.
  • the cold end of the cryocooler 7 is thermally connected to the application 8 via a thermal switch 10 and a thermal link 9.
  • the thermal link is for example arranged in series with the thermal switch.
  • the thermal link has for example a first end connected to one end 2 of the thermal switch and a second end connected to the application 8.
  • the link 9 comprises for example a flexible braid of good thermal conductive material, for example at least one of: copper, aluminum, carbon, or any other thermally conductive material.
  • the thermal switch 10 is in a first thermally good conductive state, for example its thermal conductivity is between 1 and 100 W / K and typically from 1 to 10 W / K for the example previously described. These values are given for information only. Indeed, the thermal conductivity strongly depends on the materials chosen for the two ends, the braze chosen, its thickness, the dimensions and geometric shapes of the thermal switch.
  • the thermal switch 10 comprises a first end 1 connected to the cold end of the cryocooler 7.
  • This first end 1 is for example fixed and integral with the cold end of the cryocooler 7.
  • the first end 1 of the thermal switch 10 is integral with the cold end of the cryo-cooler 7, for example consisting of at least one of the following materials: copper, titanium, stainless steel, aluminum or any other material thermally conductive.
  • the thermal switch comprises a second end 2 connected to the thermal link.
  • the second end 2 of the thermal switch 10 is for example a part independent of the cryo-cooler 7 and selectively mobile with respect to the first end 1.
  • the second end 2 of the thermal switch is for example composed of at least one of the following materials: copper, titanium, stainless steel, aluminum or any other thermally conductive material.
  • the first 1 and second 2 ends are mechanically and thermally connected to each other via a fusible solder 3.
  • the switch 10 comprises a return member 4 exerting a separation force of the first 1 and second 2 ends, against the mechanical link provided by the solder 3.
  • the return member 4 comprises for example a compression spring having an upstream end bearing on a bearing surface January 1 of the first end and a downstream end bearing on a bearing surface 12 of the second 2 end.
  • the spring 4 is of the helical type and mounted around the ends 1, 2 which can be cylindrical.
  • the bearing surfaces January 1, 12 of the spring 4 comprise respective shoulders formed respectively at the first 1 and second 2 ends.
  • the spring 4 In the first position the spring 4 is in the compressed state that is to say that the spring 4 tends to move the movable portion of the fixed part of the thermal switch.
  • the composition of the solder 3 is chosen to ensure a very good thermal conduction between the two ends 1, 2 typically between 1 and 10W / K and also ensure a sufficient mechanical strength of the assembly not to yield under the action of the spring 4 and external constraints throughout the life of the cooling system in operation or not.
  • the installation can be integrated into a spacecraft, the solder 3 ensuring the mechanical cohesion even under the effect of the acceleration forces resulting from a take-off and a space launch must keep its characteristics of very good conductor thermal and mechanical holding.
  • the switch 10 also comprises a selective heating member 3 of the solder 3 to weaken the latter and cause the separation of the first 1 and second 2 ends by breaking the solder 3 under the action of the body 4 of return.
  • the heating member 5 comprises for example a heating resistor. This heating member 5 is for example integrated at the first end of the thermal switch.
  • the solder 3 has a relatively low melting temperature, for example between 300K and 600K.
  • the solder 3 may consist of at least one of:
  • the solder may be for example a pure metal, a metal mixture and / or an adhesive.
  • the two ends 1, 2 are connected by a weak solder thickness 3 of between 0 and 5 mm. In the first position, the solder 3 is preferably directly in contact with the two ends 1, 2.
  • the heater heats up and heats the surrounding elements.
  • the solder 3 thus heated will soften and its characteristics of mechanical strength will deteriorate.
  • the strength of the solder 3 becomes lower than the tensile force exerted by the spring 4, the second end 2 will separate from the first end 1 fixed under the action of the spring 4 ( Figure 3).
  • the first 1 and second 2 ends of the thermal switch 10 are thus relatively movable between a first position in which the first 1 and second 2 ends are thermally (and physically) connected to provide a thermal connection and a second position in which the first 1 and second 2 ends are thermally separated (and physically separated to some extent) to reduce or interrupt thermal bonding.
  • one end of the link 9 is for example fixed to the second end of the thermal switch 10 via screws or pins 13 of attachment.
  • the thermal inertia of the system it is possible to apply a relatively high electrical power (eg 180W) across the heating resistor for a short time, for example between ten seconds and five minutes. This makes it possible to heat the solder 3 to a determined sufficient temperature (for example greater than> 420 K) while keeping a reasonable temperature of the adjacent instrument (for example below a threshold of 370 K).
  • the thermal capacities, the thermal conductivities, the power of the heating resistor and the duration of activation can be determined in a coherent and global way to precisely control the temperatures reached by the various elements of the installation during the activation of the thermal switch.
  • the invention while being of simple and inexpensive structure, makes it possible to equip installations with a thermal switch that is reliable, lightweight, thermally efficient and robust.
  • This device is particularly advantageous for space applications.
  • the parasitic heat losses represent in the currently proposed solutions a large part of the cold power consumed.
  • the thermal switch 10 makes it possible to eliminate or greatly reduce these parasitic losses, and therefore to significantly increase the cold power available for the application to be cooled (without increasing the cold power of the cryocoolers). .
  • the thermal switch may be disposed anywhere on the thermal path between the cold sources and the application to be cooled.

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Abstract

Interrupteur thermique pour système cryogénique, l'interrupteur (10) comprenant une première extrémité (1) destinée à être reliée à la partie froide d'un cryo-refroidisseur, une seconde extrémité (2) destinée à être reliée à une application à refroidir, les première (1) et seconde (2) extrémités étant mobiles relativement entre une première position dans laquelle les première (1) et seconde (2) extrémitéssont thermiquement reliées pour assurer une liaison thermique et une seconde position dans laquelle les première (1) et seconde (2) extrémitéssont thermiquement séparées pour réduire ou interrompre la liaison thermique, caractérisé en ce que, dans la première position, les première (1) et seconde (2) extrémités sont reliées mécaniquement et thermiquement l'une à l'autre via une brasure (3) fusible, l'interrupteur (10) comprenant en outre un organe (4) de rappel exerçant un effort de séparation des première (1) et seconde (2) extrémités et un organe (5) de chauffage sélectif de la brasure (3) pour affaiblir cette dernière et provoquer la séparation des première (1) et seconde (2) extrémitéspar rupture de la brasure (3) sous l'action de l'organe (4) de rappel.

Description

Interrupteur thermique, cryo-refroidisseur et installation comprenant un tel interrupteur thermique
La présente invention concerne un interrupteur thermique, un cryo- refroidisseur comportant un tel interrupteur, ainsi qu'une installation correspondante.
L'invention concerne plus particulièrement un interrupteur thermique pour système cryogénique, l'interrupteur comprenant une première extrémité destinée à être reliée à la partie froide d'un cryo-refroidisseur, une seconde extrémité destinée à être reliée à une application à refroidir, les première et seconde extrémités étant mobiles relativement entre une première position dans laquelle les première et seconde extrémités sont thermiquement reliées pour assurer une liaison thermique et une seconde position dans laquelle les première et seconde extrémités sont thermiquement séparées pour réduire ou interrompre la liaison thermique.
Un interrupteur thermique est un organe de liaison thermique sélective. L'interrupteur thermique possède une très bonne conduction thermique tant qu'il n'est pas activé (par exemple comprise entre 1 et 10W/K). Cet interrupteur peut être disposé à n'importe quel endroit du chemin thermique qui relie d'une part la source froide (par exemple : un doigt froid d'un cryo-refroidisseur) et, d'autre part, l'application qui doit être refroidie.
La très bonne conductivité thermique de cet interrupteur thermique évite toute détérioration significative de la conductivité thermique de l'ensemble du chemin thermique. Lorsque l'interrupteur thermique est activé il devient un très mauvais conducteur thermique par exemple avec une conductivité thermique comprise typiquement entre 0,0001 W/K et 0,05W/K (pour un interrupteur thermique dimensionné pour quelques watts avant activation). La source froide est alors thermiquement totalement ou presque isolée de l'application.
De préférence, une fois activé, l'interrupteur est définitivement un mauvais conducteur thermique, c'est-à-dire que seule une réparation lourde permet de réparer l'interrupteur thermique pour le rendre à nouveau conducteur. On peut alors dans ce cas qualifier l'interrupteur de « fusible thermique ».
Un tel interrupteur peut être utilisé dans le domaine spatial, dans les circuits de refroidissement d'applications telles que des détecteurs, des organes optiques ou tous les dispositifs qui nécessitent un refroidissement à des températures cryogéniques (typiquement comprises entre 0 et 200K). La cryogénie électrique est en effet aujourd'hui largement utilisée car elle offre une grande stabilité en température et est plus souple d'utilisation que le refroidissement passif.
Pour augmenter la fiabilité de tels appareils il est courant de prévoir une redondance des cryo-refroidisseurs. C'est-à-dire que, comme illustré à la figure 4, chaque application 8 à refroidir est refroidie par deux cryo-refroidisseur 7, 17 disposés en parallèle. De cette façon, si pour une raison ou une autre, le premier cryo-refroidisseur 7 en fonctionnement tombe en panne, alors le deuxième cryo- refroidisseur 17 est capable de le remplacer (et vice et versa).
Dans la configuration de l'exemple de la figure 4, deux cryo-refroidisseurs 17, 7 ayant chacun une puissance maximale de refroidissement de trois watts sont reliés en parallèle et sans interrupteur thermique à une application 8. Dans le cas d'une application 8 à refroidir nécessitant un refroidissement à 60K et une puissance de deux watts, en mode nominal, le premier cryo-refroidisseur 7 doit fournir trois watts de puissance froide à 60K (noté « -3W » sur la figure). En effet, le premier cryo-refroidisseur devra fournir deux watts de puissance froide pour refroidir l'application (noté « +2W » sur la figure) et typiquement un watt de puissance froide pour compenser les pertes thermiques parasites générées par le deuxième cryo-refroidisseur à l'arrêt (noté « +1W » sur la figure). C'est-à-dire que le cryo-refroidisseur 7 fournit toute sa puissance froide (100% sur la figure) tandis que l'autre 17 est arrêté (0% sur la figure).
De même, comme illustré à la figure 5, en mode nominal (pas de cryo-refroidisseur en panne) on peut aussi utiliser les deux cryo-refroidisseurs 7, 17 pour refroidir l'application 8 de l'installation. Avec ce mode de fonctionnement les deux cryo-refroidisseurs fournissent chacun la moitié de la puissance froide de deux watts pour l'application 8 et fonctionnent donc tous les deux au tiers de leur puissance (33% sur la figure). Ce mode de fonctionnement est possible avec ou sans interrupteur thermique.
Lorsque les interrupteurs thermiques sont intégrés, comme illustré à la figure 6, en mode dégradé (panne de l'un des deux cryo-refroidisseurs), l'interrupteur thermique 10 correspondant au cryo-refroidisseur 17 en panne (0%) et activé. Les pertes thermiques parasites de cette dernière sont donc supprimées et ramenée à zéro watt (0W).
L'autre cryo-refroidisseur 7 peut fournir seul les deux watts de puissance froide (-2W) nécessaires en fonctionnant aux deux tiers de sa puissance maximale (66%, cf. figure 6).
C'est donc en mode dégradé (un cryo-refroidisseur en panne), qui est ici le mode dimensionnant, que les interrupteurs thermiques ont un grand intérêt. Sans interrupteur thermique : la puissance froide maximum disponible pour l'application est de deux watts (trois watts de puissance froide produit dont un watt est « perdu » pour refroidir le cryo-refroidisseur en panne). Avec les interrupteurs thermiques la puissance froide maximum disponible est de trois watts lorsque l'interrupteur correspondant à la machine en panne a été activé (trois watts pour l'application 8 et zéro watt perdu pour le cryo-refroidisseur en panne).
L'intérêt principal de cette architecture est donc d'augmenter de manière significative la puissance froide maximum disponible au niveau de l'application sans modifier les performances cryogéniques de chacun des cryo-refroidisseurs. Dans l'exemple précédemment décrit, la puissance froide maximum disponible au niveau de l'application est augmentée de 50% en mode dégradé.
Le document WO071 16157 A3 décrit un interrupteur thermique comprenant une pièce unique monobloc formant un corps de composition homogène thermiquement conducteur ainsi qu'un actionneur apte à ouvrir ledit interrupteur par rupture mécanique dudit élément de connexion thermique.
Ce dispositif permet un fonctionnement comme décrit précédemment et assure les mêmes conditions thermiques. Cependant, ces solutions techniques choisies pour réaliser la fonction d'interrupteur thermique ne sont actuellement pas satisfaisantes. En effet, le matériau monobloc (typiquement en Saphir) faisant la liaison thermique (ou pas), est un matériau fragile qui doit pouvoir être « cassé » avec des actionneurs de puissances limitées. Cette fragilité est incompatible avec une phase de lancement d'un engin spatial. Les solutions mécaniques pour renforcer ce système sont lourdes à mettre en œuvre et sont consommatrices de puissance froide.
De plus, le matériau monobloc (typiquement en Saphir) faisant la liaison thermique (ou pas) est un composant supplémentaire qui détériore significativement la conductivité thermique pour essentiellement deux raisons. D'une part parce que la zone fragilisée est une source de résistance thermique, et, d'autre part, parce que les deux contacts thermiques nécessaires de part et d'autre de ce composant sont également des sources de résistance thermique..
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, l'interrupteur thermique selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que,, dans la première position, les première et seconde extrémités sont reliées mécaniquement et thermiquement l'une à l'autre via une brasure fusible, l'interrupteur comprenant en outre un organe de rappel exerçant un effort de séparation des première et seconde extrémités et un organe de chauffage sélectif de la brasure pour affaiblir cette dernière et provoquer la séparation des première et seconde extrémités par rupture de la brasure sous l'action de l'organe de rappel.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
■ dans la première position, la brasure assure un effort de liaison mécanique entre les première et seconde extrémités supérieur à l'effort de séparation de l'organe de rappel et en ce que le chauffage sélectif de la brasure diminue l'effort de liaison mécanique de la brasure entre des première et seconde en dessous de l'effort de séparation de l'organe de rappel,
- dans la première position la brasure forme une couche de liaison mécanique interposée entre les première et seconde extrémités et directement en contact avec ces extrémités,
- la brasure a une température de fusion comprise entre 250K et 1000K et de préférence comprise entre 300 K et 600K,
- la brasure est composée de l'un au moins des matériaux suivants ; Etain, Indium, Plomb, Argent, Cuivre, Antimoine, Bismuth, Zinc, Cadmium, Or, plastique, minéral ou végétal,
- l'organe de rappel comprend au moins l'un parmi : un ressort de traction, un ressort de compression, un mécanisme exerçant un effort de séparation entre les deux extrémités, - l'organe de rappel comprend un ressort de compression ayant une extrémité amont en appui sur une surface d'appui de la première extrémité et une extrémité aval en appui sur une surface d'appui de la seconde extrémité, dans la première position le ressort étant à l'état comprimé,
- l'organe de chauffage comprend au moins l'un parmi : une résistance électrique, un système de chauffage inductif,
- la seconde extrémité de l'interrupteur est composée de l'un au moins des matériaux parmi : Cuivre, Titane, Inox, Aluminium ou tout autre matériau conducteur thermiquement ayant une conductivité thermique supérieure à 4W/(m.K),
- la première extrémité de l'interrupteur est composée de l'un au moins des matériaux parmi : Cuivre, Titane, Inox, Aluminium ou tout autre matériau conducteur thermiquement ayant une conductivité thermique supérieure à 4W/(m.K),
- les efforts engendrés par des dilatations différentielles entre les différents matériaux présents peuvent engendrer des contraintes suffisantes pour rompre le lien thermique entre les deux extrémités avant même que la température de fusion de la brasure ne soit atteinte, cette possibilité dépend du choix des matériaux des extrémités et de la brasure, des formes géométriques, des différentes conductions et dissipations thermiques, de la puissance du chauffage et enfin du protocole d'activation,
- la brasure peut être composée de l'association de plusieurs matériaux mélangés ou non tels qu'un ou des matériaux métalliques, un ou des verres, céramiques, un ou des plastiques, un ou des matériaux végétaux,
- l'un ou certains des matériaux composant la brasure peut être un relativement mauvais conducteur thermique (c'est-à-dire ayant une conductivité thermique comprise entre 0,01 W/(m.K) et 5 W/(m.K) ) pourvu qu'au global la brasure possède une bonne conductivité thermique, c'est-à-dire comprise entre 1 et 100W/K,
- la brasure peut être en partie ou totalement composée de réactifs qui réagiront chimiquement lors de l'activation de l'interrupteur thermique, par exemple une réaction chimique exotherme ou un système pyrotechnique (explosif), - l'activation d'une telle réaction chimique peut être engendrée par un détonateur, par exemple électrique ou autre,
- l'organe de chauffage peut être intégré au niveau de la brasure elle même,
- l'organe de chauffage peut être intégré au niveau du cryogénérateur, de l'application thermique ou en tout autre endroit du système thermique comprenant l'interrupteur thermique,
- l'organe de rappel assurant l'effort mécanique de séparation des deux extrémités (typiquement un ressort) peut aussi assurer une fonction d'étanchéité partielle ou totale autour de la brasure, par exemple l'organe de rappel comprend un soufflet métallique ou autre pour d'une part séparer les deux extrémités lors de l'activation et, d'autre part limiter la propagation des vapeurs engendrées par échauffement de la brasure,
- le ressort peut être remplacé par un autre moyen exerçant une force de séparation des deux extrémités : une force de gravité, un champ magnétique, une contrainte mécanique exercée par la chaîne cryogénique, ou autre,
- l'interrupteur thermique peut être intégré en tout lieu de la chaîne de refroidissement de l'application,
- les interrupteurs thermiques sont intégrés de préférence dès lors qu'au moins deux cryo-refroidisseurs sont utilisés, (il n'y a pas de limite en nombre de cryo-refroidisseurs ni en nombre d'applications à refroidir, dès lors que suffisamment d'interrupteurs thermiques sont intégrés dans le système),
- la présente invention peut être utilisée pour des machines thermiques ou des systèmes produisant de la chaleur et non du froid comme précité, dans ce cas, la température de rupture de la brasure pourra typiquement être nettement plus élevée que celles décrites précédemment, par exemple 1200K.
L'invention concerne un cryo-refroidisseur comprenant un générateur de froid cryogénique muni d'un doigt froid sélectivement relié à une application à refroidir comprenant un interrupteur thermique selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après.
L'invention concerne une installation de refroidissement d'une application comprenant au moins deux cryo-refroidisseurs reliés en parallèle à l'application, au moins l'un des cryo-refroidisseur étant relié à l'application, via un interrupteur thermique, le au moins un interrupteur thermique étant conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
La présente invention est principalement destinée aux applications spatiales, situation ou l'intervention humaine est très difficile et où la fiabilité doit être très importante. Cependant, cette invention peut être appliquée à tout système spatiale ou non.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant une partie d'un exemple d'installation de refroidissement selon l'invention,
- la figure 2 représente une vue agrandie d'un détail de la figure 1 illustrant schématiquement un exemple de réalisation d'interrupteur thermique selon l'invention dans une première position thermiquement passante,
- la figure 3 représente une vue similaire à la figure 4 dans laquelle l'interrupteur thermique est dans une seconde position thermiquement non- passante,
- la figure 4 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation de refroidissement d'une application selon l'art antérieur sans interrupteur thermique,
- la figure 5 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation de refroidissement d'une application utilisant des interrupteurs thermiques dans une première configuration de fonctionnement,
- la figure 6 représente l'installation de la figure 5 dans une seconde configuration de fonctionnement.
La figure 1 illustre schématiquement une installation de refroidissement d'une application 8. Par soucis de simplification, la figure 1 ne représente qu'un seul cryo-refroidisseur 7 thermiquement relié à l'application 8. Bien entendu, l'application 8 peut être reliée à un second cryo-refroidisseur identique ou non comme illustré aux figures 5 et 6. Le cryo-refroidisseur 7 comprend par exemple un compresseur 6 et une machine 5 qui réalise un froid cryogénique au niveau d'une extrémité froide appelée généralement « doigt froid ». Le cryo-refroidisseur 7 est par exemple à fonctionnement électrique. Le cryo-refroidisseur 7 est par exemple du type à tube puisé de type Puise Tube, Stirling, Brayton, Joule Thomson, Gifford Macmahon ou autre.
L'extrémité froide du cryo-refroidisseur 7 est reliée thermiquement à l'application 8 via un interrupteur thermique 10 et un lien 9 thermique. Le lien 9 thermique est par exemple disposé en série avec l'interrupteur 10 thermique. Le lien 9 thermique a par exemple une première extrémité reliée à une extrémité 2 de l'interrupteur 10 thermique et une seconde extrémité reliée à l'application 8.
Le lien 9 comprend par exemple une tresse souple en matériau bon conducteur thermique par exemple l'un au moins parmi : du cuivre, de l'aluminium, du carbone, ou tout autre matériau conducteur thermiquement.
Dans les représentations des figures 1 et 2, l'interrupteur 10 thermique est dans un premier état thermiquement bon conducteur, par exemple sa conductivité thermique est comprise entre 1 et 100 W/K et de typiquement de 1 à 10W/K pour l'exemple décrit précédemment. Ces valeurs sont données à titre indicatif. En effet, la conductivité thermique dépend fortement des matériaux choisis pour les deux extrémités, la brasure choisie, son épaisseur, les dimensions et formes géométriques de l'interrupteur thermique.
Comme illustré à la figure 2, l'interrupteur 10 thermique comprend une première extrémité 1 reliée à l'extrémité froide du cryo-refroidisseur 7. Cette première extrémité 1 est par exemple fixe et solidaire de l'extrémité froide du cryo- refroidisseur 7. Par exemple, la première extrémité 1 de l'interrupteur 10 thermique est monobloc avec l'extrémité froide du cryo-refroidisseur 7, par exemple constitué de l'un au moins des matériaux parmi : Cuivre, Titane, Inox, Aluminium ou tout autre matériau conducteur thermiquement.
L'interrupteur 10 thermique comprend une seconde extrémité 2 reliée au lien 9 thermique.
La seconde extrémité 2 de l'interrupteur 10 thermique est par exemple une pièce indépendante du cryo-refroidisseur 7 et sélectivement mobile par rapport à la première extrémité 1 . La seconde extrémité 2 de l'interrupteur 10 thermique est par exemple composée de l'un au moins des matériaux parmi : Cuivre, Titane, Inox, Aluminium ou tout autre matériau conducteur thermiquement.
Dans la première position, les première 1 et seconde 2 extrémités sont reliées mécaniquement et thermiquement l'une à l'autre via une brasure 3 fusible.
C'est-à-dire que les deux extrémités 1 , 2 sont brasées l'une à l'autre via une matière d'apport appelé « brasure ».
Par ailleurs, l'interrupteur 10 comprend un organe 4 de rappel exerçant un effort de séparation des première 1 et seconde 2 extrémités, à encontre du lien mécanique assuré par la brasure 3.
Comme illustré, l'organe 4 de rappel comprend par exemple un ressort de compression ayant une extrémité amont en appui sur une surface d'appui 1 1 de la première 1 extrémité et une extrémité aval en appui sur une surface d'appui 12 de la seconde 2 extrémité. Par exemple, le ressort 4 est du type hélicoïdal et monté autour des extrémités 1 , 2 qui peuvent être cylindriques. Par exemple, les surfaces d'appui 1 1 , 12 du ressort 4 comportent des épaulements respectifs formés au niveau respectivement des première 1 et seconde 2 extrémités.
Dans la première position le ressort 4 est à l'état comprimé c'est-à-dire que le ressort 4 tend à écarter la partie mobile de la partie fixe de l'interrupteur 10 thermique.
La composition de la brasure 3 est choisie pour assurer une très bonne conduction thermique entre les deux extrémités 1 , 2 typiquement entre 1 et 10W/K et assurer également une résistance mécanique de l'ensemble suffisante pour ne pas céder sous l'action du ressort 4 seul et des contraintes extérieures durant toute la vie du système de refroidissement en fonctionnement ou non. Par exemple : l'installation peut être intégrée à un engin spatial, la brasure 3 assurant la cohésion mécanique même sous l'effet des forces d'accélération résultant d'un décollage et d'un lancement spatial doit garder ses caractéristiques de très bon conducteur thermique et de maintien mécanique.
L'interrupteur 10 comprend également un organe 5 de chauffage sélectif de la brasure 3 pour affaiblir cette dernière et provoquer la séparation des première 1 et seconde 2 extrémités par rupture de la brasure 3 sous l'action de l'organe 4 de rappel. L'organe 5 chauffant comprend par exemple une résistance chauffante. Cet organe 5 chauffant est par exemple intégré à la première extrémité de l'interrupteur 10 thermique.
De préférence, la brasure 3 a une température de fusion relativement basse, par exemple comprise entre 300K et 600K.
La brasure 3 peut être constituée de l'un au moins des matériaux parmi :
Etain, Indium, Plomb, Argent, Cuivre, Antimoine, Bismuth, Zinc, Cadmium, Or et tout autre matériau plastique, minéral et végétal pouvant résister mécaniquement et devenant très peu résistant lorsque la température devient comprise entre 300 et 600K. La brasure peut être par exemple un métal pur, un mélange métallique et/ou une colle. De préférence, les deux extrémités 1 , 2 sont reliée par une épaisseur de brasure faible 3 comprise entre 0 et 5 mm. Dans la première position, la brasure 3 est de préférence directement en contact avec les deux extrémités 1 , 2.
Lorsque qu'une puissance électrique est appliquée à la résistance 5 chauffante, cette dernière s'échauffe et chauffe les éléments l'entourant. La brasure 3 ainsi chauffée va se ramollir et ses caractéristiques de résistances mécaniques vont s'altérer. Lorsque la résistance mécanique de la brasure 3 devient inférieure à l'effort de traction exercé par le ressort 4, la seconde extrémité 2 va se séparer de la première extrémité 1 fixe sous l'action du ressort 4 (cf. figure 3).
Ainsi, la conduction thermique entre les deux extrémités 1 , 2 séparées est assurée uniquement par le ressort 4. La conduction thermique entre le doigt froid du cryo-refroidisseur 7 et l'application 8 est ainsi considérablement réduite.
Les première 1 et seconde 2 extrémités de l'interrupteur 10 thermique sont ainsi mobiles relativement entre une première position dans laquelle les première 1 et seconde 2 extrémités sont thermiquement (et physiquement) reliées pour assurer une liaison thermique et une seconde position dans laquelle les première 1 et seconde 2 extrémités sont thermiquement séparées (et physiquement séparées dans une certaine mesure) pour réduire ou interrompre la liaison thermique.
Comme illustré aux figures 2 et 3, une extrémité du lien 9 est par exemple fixée à la seconde extrémité de l'interrupteur 10 thermique via des vis ou axes 13 de fixation. De façon avantageuse, lors de l'activation de l'interrupteur 10 thermique, pour éviter une trop grande élévation de température des éléments sensibles adjacents (par exemple détecteurs, optiques, miroirs) il est possible d'utiliser l'inertie thermique du système. Ainsi, par exemple, il est possible d'appliquer une puissance électrique relativement élevée (par exemple 180W) aux bornes de la résistance 5 chauffante durant un temps court, par exemple compris entre dix secondes et cinq minutes. Ceci permet de chauffer la brasure 3 à une température suffisante déterminée (par exemple supérieure à > 420 K) tout en conservant une température raisonnable de l'instrument adjacent (par exemple en dessous d'un seuil de 370 K).
Ainsi, les capacités thermiques, les conductivités thermiques, la puissance de la résistance chauffante et la durée d'activation pourront être déterminées de manière cohérente et globale pour maîtriser précisément les températures atteintes par les différents éléments de l'installation lors de l'activation de l'interrupteur 10 thermique.
On conçoit donc que l'invention, tout en étant de structure simple et peu coûteuse, permet d'équiper des installations d'un interrupteur 10 thermique, fiable, léger, thermiquement performant et robuste. Ce dispositif est particulièrement avantageux pour les applications spatiales. En effet, les pertes thermiques parasites représentent dans les solutions actuellement proposées une part importante de la puissance froide consommée. L'interrupteur 10 thermique permet de supprimer ou de réduire très fortement ces pertes parasites, et donc, d'augmenter de manière importante la puissance froide disponible pour l'application à refroidir (sans pour autant augmenter la puissance froide des cryo- refroid isseurs). L'interrupteur 10 thermique peut être disposé n'importe où sur le chemin thermique entre les sources froides et l'application à refroidir.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Interrupteur thermique pour système cryogénique, l'interrupteur (10) comprenant une première extrémité (1 ) destinée à être reliée à la partie froide d'un cryo-refroidisseur, une seconde extrémité (2) destinée à être reliée à une application à refroidir, les première (1 ) et seconde (2) extrémités étant mobiles relativement entre une première position dans laquelle les première (1 ) et seconde (2) extrémités sont thermiquement reliées pour assurer une liaison thermique et une seconde position dans laquelle les première (1 ) et seconde (2) extrémités sont thermiquement séparées pour réduire ou interrompre la liaison thermique, caractérisé en ce que, dans la première position, les première (1 ) et seconde (2) extrémités sont reliées mécaniquement et thermiquement l'une à l'autre via une brasure (3) fusible, l'interrupteur (10) comprenant en outre un organe (4) de rappel exerçant un effort de séparation des première (1 ) et seconde (2) extrémités et un organe
(5) de chauffage sélectif de la brasure (3) pour affaiblir cette dernière et provoquer la séparation des première (1 ) et seconde (2) extrémités par rupture de la brasure (3) sous l'action de l'organe (4) de rappel.
2. Interrupteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que, dans la première position, la brasure (3) assure un effort de liaison mécanique entre les première (1 ) et seconde (2) extrémités supérieur à l'effort de séparation de l'organe (4) de rappel et en ce que le chauffage sélectif de la brasure (3) diminue l'effort de liaison mécanique de la brasure entre des première (1 ) et seconde (2) en dessous de l'effort de séparation de l'organe (4) de rappel.
3. Interrupteur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que dans la première position la brasure (3) forme une couche de liaison mécanique interposée entre les première (1 ) et seconde (2) extrémités et directement en contact avec ces extrémités (1 , 2).
4. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la brasure (3) a une température de fusion comprise entre 250K et 1000K et de préférence comprise entre 300 K et 600K.
5. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la brasure (3) est composée de l'un au moins des matériaux suivants ; Etain, Indium, Plomb, Argent, Cuivre, Antimoine, Bismuth, Zinc, Cadmium, Or, plastique, minéral ou végétal.
6. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe (4) de rappel comprend au moins l'un parmi : un ressort de traction, un ressort de compression, un mécanisme exerçant un effort de séparation entre les deux extrémités
7. Interrupteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe (4) de rappel comprend un ressort de compression ayant une extrémité amont en appui sur une surface d'appui (1 1 ) de la première (1 ) extrémité et une extrémité aval en appui sur une surface d'appui (12) de la seconde (2) extrémité, dans la première position le ressort étant à l'état comprimé.
8. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'organe (5) de chauffage comprend au moins l'un parmi : une résistance électrique, un système de chauffage inductif.
9. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la seconde extrémité (2) de l'interrupteur est composée de l'un au moins des matériaux parmi : Cuivre, Titane, Inox, Aluminium ou tout autre matériau conducteur thermiquement ayant une conductivité thermique supérieure à 4W/(m.K).
10. Interrupteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la première extrémité (1 ) de l'interrupteur est composée de l'un au moins des matériaux parmi : Cuivre, Titane, Inox, Aluminium ou tout autre matériau conducteur thermiquement ayant une conductivité thermique supérieure à 4W/(m.K).
1 1 . Cryo-refroidisseur comprenant un générateur (7) de froid cryogénique muni d'un doigt froid sélectivement relié à une application (8) à refroidir, caractérisé en ce qu'il comprend un interrupteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Installation de refroidissement d'une application (8) comprenant au moins deux cryo-refroidisseurs (7, 17) reliés en parallèle à l'application (8), au moins l'un des cryo-refroidisseur (7, 17) étant relié à l'application (8), via un interrupteur (10) thermique, caractérisé en ce que le au moins un interrupteur thermique (10) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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