La présente invention concerne un interrupteur thermique. L'inventionThe present invention relates to a thermal switch. The invention
s'applique de manière très générale à chaque fois que deux composants couplés mécaniquement et thermiquement doivent être découplés thermiquement. applies very generally whenever two mechanically coupled and thermally coupled components have to be thermally decoupled.
Dans ce contexte, l'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du refroidissement cryogénique d'équipements spatiaux. Actuellement, on connaît deux types d'interrupteurs thermiques : - les interrupteurs thermiques à dilatation différentielle qui reposent sur le io principe de l'évolution de l'allongement des matériaux en fonction de la température du système. En dessous d'une certaine température, le rétreint d'un des matériaux met en contact les différentes pièces, assurant ainsi la liaison thermique. Inversement, au-dessus de cette température, le contact entre les différentes pièces est rompu de même que leur liaison thermique, 15 - les interrupteurs thermiques à changement de phase qui reposent sur le changement d'état d'un fluide, celui-ci étant choisi en fonction de la température de fonctionnement du système. S'agissant d'un fluide gazeux, ce dernier se condense sur la partie froide du système et s'évapore sur la partie chaude. Le transfert de masse est assuré par la gravité lors d'une application 20 au sol et par capillarité lors d'un fonctionnement en micro-gravité. Pour déconnecter thermiquement les composants, le système est purgé de son gaz ou bien le gaz est transféré dans un système similaire en cas de redondance. Les principaux inconvénients des interrupteurs thermiques à changement de phase sont : 25 - la dépendance de la température de fonctionnement en fonction des matériaux, - une résistance thermique importante de la liaison, - une résistance de contact importante et difficile à maîtriser, - des longueurs de pièces importantes afin d'obtenir des déplacements 30 suffisants pour connecter ou déconnecter les pièces thermiquement, - de fortes contraintes mécaniques de fabrication dues aux faibles jeux entre les pièces, - le risque de mater les pièces et de ne plus pouvoir les déconnecter. In this context, the invention finds a particularly advantageous application in the field of cryogenic cooling of space equipment. Currently, two types of thermal switches are known: differential expansion thermal switches which are based on the principle of the evolution of the elongation of the materials as a function of the temperature of the system. Below a certain temperature, the shrinkage of one of the materials puts the different parts in contact, thus ensuring the thermal connection. Conversely, above this temperature, the contact between the different parts is broken as is their thermal connection, the phase change thermal switches which are based on the change of state of a fluid, the latter being chosen according to the operating temperature of the system. As it is a gaseous fluid, the latter condenses on the cold part of the system and evaporates on the hot part. The mass transfer is ensured by the gravity during an application to the ground and by capillarity during operation in micro-gravity. To thermally disconnect the components, the system is purged of its gas or the gas is transferred to a similar system in case of redundancy. The main drawbacks of the phase change thermal switches are: the dependence of the operating temperature as a function of the materials, a high thermal resistance of the connection, a high contact resistance which is difficult to control, lengths of important parts in order to obtain sufficient movement to connect or disconnect the parts thermally, - strong mechanical manufacturing constraints due to low clearance between parts, - the risk of mater parts and can not be disconnected.
Les principaux inconvénients des interrupteurs thermiques à changement de phase sont : - la dépendance de la température de fonctionnement en fonction du fluide utilisé, - le nombre restreint de fluides existants qui limite les plages d'utilisation, - les problèmes de tenue à la pression et d'étanchéité, - les problèmes liés à la pollution lors de l'évacuation du fluide à l'extérieur du système, - des dimensions importantes dues aux ports de pompage, aux organes de io sécurité ainsi qu'aux tubes de transfert, - la difficulté à maîtriser les changements de phase en situation de micro-gravité, - une durée de vie et des performances de la liaison limitées par le taux de fuite du système, 15 - une résistance thermique de la liaison à l'état non-conducteur, sans fluide, fixée par le dimensionnement à la tenue mécanique liée à la pression. Aussi, l'invention a pour but de remédier à tout ou partie des inconvénients rencontrés avec les interrupteurs thermiques existants, en particulier ceux liés à la plage de fonctionnement restreinte, à l'encombrement 20 et à la complexité de mise en oeuvre. Ce but est atteint, conformément à l'invention, grâce à un interrupteur thermique, remarquable en ce que ledit interrupteur comprend un élément de connexion thermique thermiquement conducteur et un actionneur apte à ouvrir ledit interrupteur par rupture mécanique dudit élément de connexion 25 thermique. Ainsi, la connexion thermique est établie par un matériau ayant une très bonne conductivité thermique. Pour déconnecter thermiquement le système, une action extérieure rompt mécaniquement cette connexion. Il s'agit donc d'un fonctionnement à deux états irréversibles qui offre 30 l'avantage de constituer un excellent lien thermique en fonctionnement nominal et, au contraire, d'être un très bon isolant thermique une fois la liaison mécanique rompue. The main disadvantages of phase change thermal switches are: - the dependence of the operating temperature as a function of the fluid used, - the limited number of existing fluids which limits the ranges of use, - the resistance to pressure and sealing, problems related to pollution during the evacuation of the fluid outside the system, large dimensions due to the pump ports, the safety organs and the transfer tubes, the difficulty in controlling the phase changes in a micro-gravity situation, - limited lifetime and performance of the link by the leakage rate of the system, - a thermal resistance of the link in the non-conductive state, without fluid, fixed by the dimensioning to the mechanical behavior related to the pressure. Also, the invention aims to overcome all or part of the disadvantages encountered with existing thermal switches, particularly those related to the restricted operating range, the size and complexity of implementation. This object is achieved, according to the invention, by means of a thermal switch, characterized in that said switch comprises a thermally conductive thermal connection element and an actuator adapted to open said switch by mechanical breaking of said thermal connection element. Thus, the thermal connection is established by a material having a very good thermal conductivity. To thermally disconnect the system, an external action mechanically breaks this connection. It is therefore an operation with two irreversible states which offers the advantage of constituting an excellent thermal link in nominal operation and, on the contrary, of being a very good thermal insulator once the mechanical link is broken.
Les autres avantages de l'interrupteur thermique conforme à l'invention sont : - un fonctionnement nominal complètement passif. Aucun changement de phase ni aucun mouvement de pièces ne sont nécessaires pour établir la connexion thermique initiale. La liaison est naturellement conductrice thermiquement. Il s'agit simplement, lors du besoin de déconnexion, d'activer l'actionneur afin d'exercer l'effort nécessaire pour rompre l'élément de connexion thermique. Une fois la liaison rompue, l'effort appliqué par l'actionneur peut être relâché et l'élément de connexion thermique est isolant io thermiquement et à nouveau passif, - un fonctionnement indépendant de la température du système. En effet, contrairement aux interrupteurs thermiques à changement de phase ou à dilatation différentielle qui reposent sur la température de changement d'état d'un fluide ou sur la dilatation d'un matériau, l'interrupteur thermique, objet de 15 l'invention, est indépendant de la température de fonctionnement et peut être utilisé sur une large plage de température, -un encombrement très faible, contrairement notamment aux interrupteurs thermiques à changement de phase qui nécessitent des ports de remplissage et des organes de sécurité. L'interrupteur thermique de l'invention est 20 compact et léger. Avantageusement, ledit élément de connexion thermique est mécaniquement résilient, ce qui permet de limiter les efforts à appliquer par l'actionneur sur ledit élément de connexion thermique. De manière à pouvoir relâcher l'effort de l'actionneur, l'invention prévoit 25 que ledit interrupteur est apte à être maintenu ouvert par des moyens de rappel après rupture mécanique de l'élément de connexion thermique. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens de rappel sont extérieurs audit interrupteur. Dans ce cas, il est prévu que ledit interrupteur comprend un organe 30 d'assemblage thermiquement isolant, afin de maintenir la cohésion mécanique de l'ensemble des pièces qui le constituent. The other advantages of the thermal switch according to the invention are: - a completely passive nominal operation. No phase changes or parts movement are required to establish the initial thermal connection. The bond is naturally thermally conductive. It is simply, when the need for disconnection, to activate the actuator to exert the necessary effort to break the thermal connection element. Once the link is broken, the force applied by the actuator can be released and the thermal connection element is thermally insulating and again passive, operation independent of the temperature of the system. Indeed, unlike thermal switches with phase change or differential expansion which rely on the temperature of change of state of a fluid or on the expansion of a material, the thermal switch object of the invention, is independent of the operating temperature and can be used over a wide temperature range, a very small footprint, unlike in particular phase change thermal switches that require filling ports and safety devices. The thermal switch of the invention is compact and lightweight. Advantageously, said thermal connection element is mechanically resilient, which limits the forces to be applied by the actuator on said thermal connection element. In order to release the force of the actuator, the invention provides that said switch is adapted to be held open by biasing means after mechanical breaking of the thermal connection element. According to a first embodiment of the invention, said return means are external to said switch. In this case, it is provided that said switch comprises a thermally insulating assembly member 30, in order to maintain the mechanical cohesion of all the parts that constitute it.
De manière à limiter la course de déplacement des pièces après rupture de l'élément de connexion thermique, ledit organe d'assemblage comporte une butée mécanique. Dans un second mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens de rappel sont constitués par un organe élastique lié audit interrupteur. Cet organe peut être un soufflet précontraint entourant l'interrupteur. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. io La figure la est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un interrupteur thermique selon l'invention à l'état conducteur. La figure 1 b est un schéma de l' interrupteur thermique de la figure la à l'état isolant thermique. La figure 2a est un schéma d'un second mode de réalisation d'un 15 interrupteur thermique selon l'invention à l'état conducteur. La figure 2b est un schéma de l'interrupteur thermique de la figure 2a à l'état isolant thermique. La figure 3 est un schéma d'un exemple d'application d'un interrupteur conforme à l'invention. 20 Sur les figures la et 1 b est représenté un interrupteur thermique destiné à assurer le contact thermique ou, au contraire, l'isolement thermique entre deux composants disposés respectivement sur les interfaces 1, 2 du interrupteur. Comme on le verra plus loin en détail, ces composants peuvent être, par exemple, une source froide et un équipement à refroidir. 25 Comme le montrent les figures la et 1 b, l'interrupteur thermique comprend un élément 10 de connexion thermique entre les deux interfaces 1, 2. A l'état nominal conducteur de l'interrupteur représenté à la figure la, l'élément 10 a une conductivité thermique suffisante afin de présenter un 30 gradient thermique faible entre les interfaces 1, 2. S'il est nécessaire de découpler thermiquement les interfaces 1, 2, un actionneur 20 est activé de manière à appliquer une force sur l'élément 10 de connexion thermique jusqu'à obtenir la rupture mécanique dudit élément 10. In order to limit the displacement stroke of the parts after rupture of the thermal connection element, said assembly member comprises a mechanical stop. In a second embodiment of the invention, said biasing means are constituted by an elastic member connected to said switch. This member may be a prestressed bellows surrounding the switch. The following description with reference to the accompanying drawings, given as non-limiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be achieved. Figure la is a diagram of a first embodiment of a thermal switch according to the invention in the conductive state. Figure 1b is a diagram of the thermal switch of Figure la in the thermal insulating state. FIG. 2a is a diagram of a second embodiment of a thermal switch according to the invention in the conductive state. Figure 2b is a diagram of the thermal switch of Figure 2a in the thermal insulating state. Figure 3 is a diagram of an example of application of a switch according to the invention. In FIGS. 1a and 1b is shown a thermal switch intended to provide thermal contact or, on the contrary, the thermal insulation between two components respectively disposed on the interfaces 1, 2 of the switch. As will be seen below in detail, these components may be, for example, a cold source and equipment to be cooled. As shown in FIGS. 1a and 1b, the thermal switch comprises a thermal connection element 10 between the two interfaces 1, 2. In the nominal conductive state of the switch shown in FIG. has a sufficient thermal conductivity to present a low thermal gradient between the interfaces 1, 2. If it is necessary to thermally decouple the interfaces 1, 2, an actuator 20 is activated so as to apply a force on the element 10 of thermal connection until the mechanical breakage of said element 10 is achieved.
Afin de diminuer les efforts et la taille de l'actionneur 20 et de contrôler la rupture, l'élément 10 de connexion thermique est rendu résilient au moyen, par exemple, d'une zone fragilisée 11 par un étranglement réalisé préalablement dans l'élément 10. In order to reduce the forces and the size of the actuator 20 and to control the rupture, the thermal connection element 10 is made resilient by means of, for example, a weakened zone 11 by a constriction previously made in the element 10.
La figure 1 b représente l'interrupteur de la figure la à l'état d'isolant thermique, après rupture de l'élément 10. Afin de conserver un écart significatif entre les deux morceaux restant de l'élément 10, des moyens de rappel, tels qu'un ressort extérieur (non représenté), sont prévus pour exercer une force de rappel sur l'interface 1, io par exemple, et maintenir l'interrupteur thermique ouvert après rupture mécanique de l'élément 10. Comme on peut le voir sur les figures la et 1 b, la rigidité de l'ensemble de l'interrupteur et le guidage des pièces après rupture sont assurés par un organe 30 d'assemblage rigide mécaniquement et thermiquement isolant. Une 15 butée mécanique 31 peut limiter le déplacement des pièces après rupture de l'élément 10 de connexion thermique. Le mode de réalisation des figures 2a et 2b diffère de celui qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 a et 1 b par les moyens de rappel utilisés. Dans ce second mode de réalisation, la force de rappel est exercée 20 par un organe élastique 40 lié à l'interrupteur. Sur les figures 2a et 2b, cet organe 40 est réalisé au moyen d'un soufflet monté précontraint. L'avantage d'une telle structure d'interrupteur est d'obtenir un système complètement intégré et totalement isolé de l'extérieur. Un des matériaux offrant le meilleur compromis entre caractéristiques 25 mécaniques et caractéristiques thermiques pour la réalisation de l'élément 10 de connexion thermique est le saphir. Ce matériau présente en effet des propriétés mécaniques favorables au fonctionnement de l'interrupteur conforme à l'invention ainsi qu'une conductivité thermique optimale aux températures cryogéniques. La structure cristalline de ce matériau offre 30 également l'avantage d'avoir une résistance à la traction faible et un allongement à la rupture limité. FIG. 1b shows the switch of FIG. 1a in the state of thermal insulation, after rupture of the element 10. In order to maintain a significant difference between the two remaining pieces of the element 10, return means , such as an external spring (not shown), are provided to exert a restoring force on the interface 1, for example, and keep the thermal switch open after mechanical rupture of the element 10. As can be seen from FIG. see in Figures la and 1b, the rigidity of the entire switch and the guide parts after rupture are provided by a rigid mechanically and thermally insulating assembly member 30. A mechanical stop 31 may limit the movement of the parts after rupture of the thermal connection member. The embodiment of Figures 2a and 2b differs from that just described with reference to Figures 1a and 1b by the biasing means used. In this second embodiment, the restoring force is exerted by an elastic member 40 connected to the switch. In FIGS. 2a and 2b, this member 40 is made by means of a prestressed bellows. The advantage of such a switch structure is to obtain a completely integrated system and totally isolated from the outside. One of the materials offering the best compromise between mechanical characteristics and thermal characteristics for the realization of the thermal connection element 10 is sapphire. This material has in fact mechanical properties favorable to the operation of the switch according to the invention and an optimal thermal conductivity at cryogenic temperatures. The crystalline structure of this material also has the advantage of having low tensile strength and limited elongation at break.
Pour contrôler la rupture, une zone fragilisée est aménagée sur l'élément 10 sous forme d'une section réduite où la contrainte maximale est localisée. Pour des raisons de tenue mécanique, notamment lors d'applications spatiales, la position de la zone fragile peut varier le long de l'élément 10. Cette position peut être optimisée en fonction du spectre mécanique. De préférence, les actionneurs utilisés sont des actionneurs piézoélectriques. Ils ont l'avantage d'être compacts et de pouvoir exercer des efforts importants. Les actionneurs sont activés par une tension électrique, io génèrent leur effort puis reprennent leur état initial dès que l'alimentation électrique est coupée. Par ailleurs, les actionneurs piézoélectriques sont compatibles avec un fonctionnement cryogénique et sous vide. L'organe 30 d'assemblage rigide assure un guidage mécanique des 15 pièces. Cependant, après rupture, cet organe doit apporter un minimum de pertes par conduction afin d'obtenir une déconnexion thermique la plus efficace possible entre les deux interfaces 1, 2. Les matériaux qui peuvent être utilisés sont les fibres de verre et les résines époxy. Enfin, le soufflet 40 peut être en acier inoxydable de faible épaisseur. To control the rupture, a weakened zone is arranged on the element 10 in the form of a reduced section where the maximum stress is located. For reasons of mechanical strength, especially during space applications, the position of the fragile zone can vary along the element 10. This position can be optimized according to the mechanical spectrum. Preferably, the actuators used are piezoelectric actuators. They have the advantage of being compact and able to exert significant effort. The actuators are activated by an electrical voltage, they generate their effort then resume their initial state as soon as the power supply is cut off. In addition, the piezoelectric actuators are compatible with cryogenic and vacuum operation. The rigid assembly member 30 provides mechanical guidance of the parts. However, after rupture, this member must provide a minimum of losses by conduction in order to obtain the most effective thermal disconnection possible between the two interfaces 1, 2. The materials that can be used are glass fibers and epoxy resins. Finally, the bellows 40 may be made of thin stainless steel.
20 Sa longueur développée doit être aussi grande que possible afin de diminuer les pertes par conduction. Une application de l'interrupteur thermique selon l'invention est de relier thermiquement des refroidisseurs cryogéniques à des équipements lors d'applications spatiales nécessitant une redondance. Ces équipements sont 25 par exemple des détecteurs, des filtres, des amplificateurs, des bolomètres, des écrans, des miroirs, de l'optique, etc. Les problèmes de redondance lors d'applications embarquées amènent à connecter un même équipement à plusieurs refroidisseurs cryogéniques. Dans les chaînes cryogéniques habituelles, l'équipement à refroidir est 30 relié thermiquement aux doigts froids de deux refroidisseurs en redondance. Le lien thermique entre l'équipement et les doigts froids est réalisé au moyen d'une tresse métallique souple, en cuivre par exemple. En cas de défaillance de l'un des refroidisseurs, le refroidisseur défaillant non seulement ne participe plus au refroidissement de l'équipement mais ajoute une charge thermique supplémentaire au refroidisseur encore en fonction. L'interrupteur thermique conforme à l'invention peut s'intercaler dans la chaîne cryogénique classique de manière à déconnecter un refroidisseur défaillant et supprimer les pertes parasites qu'il engendre lorsqu'il est hors fonction. La figure 3 montre un montage d'un système de refroidissement redondant incorporant des interrupteurs thermiques conformes à l'invention. Les refroidisseurs 100, 200 sont par exemple des machines de type io Stirling, Gifford-McMahon, Pulse Tube ou tout autre refroidisseur de type Joule-Thomson, Peltier, refroidisseur à adsorption, etc... Les doigts froids 101, 201 de ces refroidisseurs sont reliés à l'équipement 300 à refroidir soit par l'intermédiaire respectivement d'une tresse métallique conductrice 110, 210 et d'un interrupteur thermique 120, 220, intercalé entre la tresse et l'équipement, 15 soit directement sur l'interrupteur thermique. En fonctionnement nominal, les performances thermiques des interrupteurs 120, 220 étant optimales, le bilan énergétique du système n'est pas dégradé par la présence de ces interrupteurs. Les deux réfrigérateurs fonctionnent à mi-charge (par exemple) et fournissent chacun 50% du besoin.Its developed length should be as large as possible in order to reduce conduction losses. An application of the thermal switch according to the invention is to thermally connect cryogenic coolers to equipment during space applications requiring redundancy. Such equipment is, for example, detectors, filters, amplifiers, bolometers, screens, mirrors, optics, etc. The problems of redundancy during embedded applications lead to connecting the same equipment to several cryogenic coolers. In conventional cryogenic chains, the equipment to be cooled is thermally bonded to the cold fingers of two redundant coolers. The thermal link between the equipment and the cold fingers is achieved by means of a flexible metal braid, copper for example. In the event of a failure of one of the coolers, the failing cooler not only no longer participates in the cooling of the equipment but adds an additional heat load to the cooler still in operation. The thermal switch according to the invention can be intercalated in the conventional cryogenic chain so as to disconnect a faulty cooler and eliminate the parasitic losses it generates when it is off. Figure 3 shows a mounting of a redundant cooling system incorporating thermal switches according to the invention. The chillers 100, 200 are for example Stirling type machines, Gifford-McMahon, Pulse Tube or any other type Joule-Thomson cooler, Peltier, adsorption cooler, etc. The cold fingers 101, 201 of these chillers are connected to the equipment 300 to be cooled either via respectively a conductive metal braid 110, 210 and a thermal switch 120, 220, interposed between the braid and the equipment, 15 either directly on the switch thermal. In nominal operation, the thermal performance of the switches 120, 220 being optimal, the energy balance of the system is not degraded by the presence of these switches. Both refrigerators operate at half load (for example) and each provide 50% of the need.
20 Il n'y a donc pas de pertes thermiques venant des réfrigérateurs. En cas de défaillance du refroidisseur 200, comme indiqué sur la figure 3, l'interrupteur thermique 220 est activé. Le refroidisseur 100 encore actif fonctionne à pleine puissance et supporte seul la charge thermique alors que le refroidisseur défaillant 200 est déconnecté thermiquement par l'action del' 25 interrupteur 220. Il n'y a donc pas de charge additionnelle sur le refroidisseur 100 et le budget thermique est conservé. 30There is therefore no heat loss from the refrigerators. In the event of a failure of the chiller 200, as shown in FIG. 3, the thermal switch 220 is activated. The still-active cooler 100 operates at full power and only supports the thermal load while the failing cooler 200 is thermally disconnected by the action of the switch 220. There is therefore no additional charge on the cooler 100 and the thermal budget is retained. 30