FR3099286A1 - Interrupteur thermique pour un circuit electrique d’un aeronef ou moteur d’aeronef - Google Patents
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Abstract
Interrupteur thermique (1) pour un circuit électrique d’un aéronef ou moteur d’aéronef, cet interrupteur (1) comportant deux bornes (14, 15) de raccordement électrique audit circuit et étant configuré pour fonctionner selon un premier mode de fonctionnement normal dans lequel il maintient le circuit ouvert, et un second mode de sécurité, dans lequel il ferme le circuit lorsqu’il est soumis à une température supérieure à un seuil prédéterminé. Selon l’invention, l’interrupteur comprend une enceinte (90) de logement d’un matériau (70) qui est électriquement conducteur et qui comporte une température de fusion égale audit seuil, lesdites bornes (14, 15) étant au moins en partie situées dans ladite enceinte (90) et configurées pour, en mode de fonctionnement normal, être isolées l’une de l’autre, et, en mode de sécurité, reliées électriquement par ledit matériau (70) après sa fusion. Figure pour l’abrégé : Figure 5
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un interrupteur thermique pour un circuit électrique d’un aéronef ou moteur d’aéronef, en particulier destiné à équiper un harnais électrique.
Arrière-plan technique
Dans le cas d'une turbomachine équipée d'un ou plusieurs calculateurs et de capteurs, des harnais électriques sont placés entre le ou les calculateurs et les capteurs de façon à véhiculer - vers le ou les calculateurs - les mesures effectuées par ces capteurs.
Dans la plupart des cas, l'intégralité des harnais électriques, du ou des calculateurs et des capteurs se trouvent en zone feu qui sont définies comme étant des zones de la turbomachine dans lesquelles un feu est susceptible de se déclencher.
Or, les capteurs et/ou les harnais électriques peuvent intégrer des composants électroniques (pour filtrer le signal, pour sélectionner un canal, remonter une panne, etc…) qui ne résistent pas plus de cinq minutes à une température de 1100 °C atteinte lors d’un incendie comme requis par la norme ISO 2685:1998(E).
Les modes de défaillance des capteurs en cas d’incendie peuvent avoir comme conséquence de générer un signal dégradé mais valide. Lors d’une surchauffe, le calculateur ne détecte donc pas qu’il reçoit un signal erroné, ce qui pourrait conduire par exemple à des dysfonctionnements du système de régulation du moteur.
La demande FR-A1-3 069 387 propose un filtre analogique RC intégré à un harnais électrique, dans lequel une haute température consécutive à un feu peut endommager une résistance jusqu’à ouvrir le circuit. Pour que le harnais continue à transmettre au calculateur un signal non filtré fourni par un capteur, le document propose d’intégrer un interrupteur thermique sous forme de bilame pour court-circuiter la résistance.
L’invention propose un interrupteur thermique plus efficace et particulièrement adapté à l’utilisation dans un circuit électrique d’un aéronef ou d’un moteur d’aéronef.
L’invention propose à cet effet un interrupteur thermique pour un circuit électrique d’un aéronef ou moteur d’aéronef, cet interrupteur comportant deux bornes de raccordement électrique audit circuit et étant configuré pour fonctionner selon un premier mode de fonctionnement normal dans lequel il maintient le circuit ouvert, et un second mode de sécurité, dans lequel il ferme le circuit lorsqu’il est soumis à une température supérieure à un seuil thermique prédéterminé.
Selon l’invention, l’interrupteur comprend une enceinte de logement d’un matériau qui est électriquement conducteur et qui comporte une température de fusion égale audit seuil thermique, lesdites bornes étant au moins en partie situées dans ladite enceinte et configurées pour, en mode de fonctionnement normal, être isolées l’une de l’autre, et, en mode de sécurité, reliées électriquement par ledit matériau après sa fusion.
Cet interrupteur a donc comme fonction de se fermer au-delà d’une certaine température en reliant électriquement lesdites bornes, et de rester fermé même s’il est directement soumis à la flamme ou à une surchauffe et même si la température redescend en dessous du seuil de température. Un capteur auquel le circuit est connecté pourra alors être court-circuité et le calculateur recevra alors un signal invalide. Le calculateur utilisera alors un modèle pour estimer la grandeur que le capteur mesurait.
L’invention permet ainsi d’ajouter une fonction supplémentaire passive, permettant de détecter l’effet primaire d’une panne à savoir l’augmentation anormale de la température ambiante dans une zone de la turbomachine, de limiter les signaux erronés valides acquis par un calculateur, et donc d’apporter un gain de sécurité sans augmenter le nombre d’équipements (l’interrupteur pouvant s’intégrer dans le harnais) devant être installé sur la turbomachine.
Cette détection au plus tôt permet d’éviter l’exposition à une panne dormante, ou d’éviter un événement moteur redouté dans le cas par exemple où l’utilisation des signaux erronés valides conduirait à des dysfonctionnements du système de régulation.
L’interrupteur thermique selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes avec les autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- ladite enceinte renferme un gaz inerte d’isolation électrique desdites bornes ;
- ledit matériau se présente sous la forme de deux blocs indépendants et séparés par ledit gaz inerte ;
- chacune desdites bornes est, dans ledit mode de fonctionnement normal, en contact électrique avec l’un desdits blocs ;
- lesdits blocs sont séparés l’un de l’autre par une entretoise isolante ;
- chacun des blocs est porté par ou logé dans un support en cuivre ou en un autre matériau dont la température de fusion est supérieure audit seuil thermique, les supports étant traversés chacun par l’une desdites bornes et séparés l’un de l’autre par ladite entretoise ;
- des éléments élastiques choisis parmi des ressorts métalliques et une couche de PTFE sont intercalés dans la direction axiale et dans la direction radiale entre lesdits supports et l’enceinte de façon à absorber une différence de dilatation entre les blocs et l’enceinte ;
- ladite enceinte comprend un corps creux présentant une ouverture d’introduction du matériau, et un couvercle de fermeture de cette ouverture avec des moyens d’étanchéité aux gaz situés entre le corps (91) et le couvercle ;
- chacune des bornes traverse de manière étanche le corps ou le couvercle ;
- le matériau électriquement conducteur est de l’étain ou un alliage dont la température de fusion est comprise entre 200°C et 250°C.
L’invention concerne également un harnais électrique pour un circuit électrique d’un aéronef ou moteur d’aéronef, ce harnais comportant au moins un interrupteur selon l’invention. L’interrupteur est avantageusement intégré à un connecteur électrique du harnais.
Brèves description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Description détaillée de l’invention
Nous nous référons dans un premier temps à la figure 1 représentant une turbomachine 100 à double corps. Cette turbomachine 100 comprend un corps basse pression comprenant un rotor dont le régime de rotation est appelé N1, et un corps haute pression comprenant un rotor dont le régime de rotation est appelé N2, le rotor haute pression et le rotor basse pression étant coaxiaux et rotatifs indépendamment l'un de l'autre. La turbomachine comprend en outre des capteurs 2 et 3 aptes à mesurer les régimes de rotation N1 et N2, respectivement, et un calculateur 4 apte recevoir les signaux de mesure des régimes N1 et N2. Le corps haute pression comprend un compresseur haute pression 6 et une turbine haute pression. Le rotor haute pression comprend un arbre 7 reliant une pluralité de roues aubagées du compresseur haute pression à au moins une roue aubagée de la turbine haute pression 8. Le corps basse pression comprend un compresseur basse pression 9 et une turbine basse pression 11. Le rotor basse pression comprend un arbre 7 reliant une pluralité de roues aubagées du compresseur basse pression à une pluralité de roues aubagées de la turbine basse pression 8. Comme cela est représenté sur la figure 1, l'arbre haute pression entoure l'arbre basse pression 10.
Cette turbomachine 100 comprend en outre deux harnais électriques 5. Un harnais électrique est un dispositif électronique qui véhicule des signaux électriques entre différents équipements, ici entre les capteurs 2 et 3 et le calculateur 4.
Chaque harnais 5 comprend une première terminaison T1 connectée à l'un des capteurs 2 ou 3 et une deuxième terminaison T2 connectée au calculateur 4.
Ainsi, chaque harnais électrique 5 comprend une première terminaison T1 connectée à un appareil apte à émettre un signal électrique (par exemple un capteur 3), et une deuxième terminaison T2 connectée à un appareil de traitement du signal (ici un calculateur 4).
Selon les modes de réalisation des figures 2 et 3, le harnais électrique 5 peut comprendre un connecteur 12 à chaque terminaison T1 et T2. Selon les modes de réalisation des figures 3 et 4, le harnais électrique 5 comprend un boitier 13 résistant au feu.
Selon le mode de réalisation de la figure 4, la première terminaison T1 n'est pas déconnectable du capteur 3 et la deuxième terminaison T2 n'est pas déconnectable du calculateur 4. D'une façon générale, le harnais électrique 5 peut comprendre une terminaison T1 ou T2 déconnectable ou non déconnectable de l'appareil auquel elle est connectée.
Chaque harnais 5 comprend un circuit électronique, en particulier ici un circuit électronique de filtrage du signal. Ce circuit peut être intégré soit dans le boitier 13 résistant au feu illustré en figure 3 ou en figure 4, ou dans un des connecteurs 12 comme illustré sur les figure 2 et figure 3. Le circuit électronique peut être recouvert de tresse métallique pour en assurer le blindage, et d'une gaine thermo rétractable ou d'un surmoulage.
Un positionnement du circuit électronique dans un des connecteurs 12, constituant des points de supportage du harnais, permet de faciliter l'intégration du circuit électronique dans le harnais 5 par l'homme du métier.
Si le circuit électronique est intégré dans le boitier 13, ce dernier est au moins en partie métallique de manière à en assurer le blindage. Dans cette configuration, le raccordement d'un câble de harnais au boitier 13 peut être déconnectable ou non.
Ce circuit électronique comprend au moins un composant électronique (par exemple une résistance R ou un condensateur C) associé à un seuil de température de fonctionnement au-delà duquel le composant électronique ne peut pas fonctionner.
Le circuit électronique comprend également selon l’invention un interrupteur thermique, monté en série ou en parallèle avec le composant électronique.
L’interrupteur peut ainsi être intégré dans le connecteur côté capteur, ou dans le connecteur côté calculateur, ou à l’intérieur d’un boîtier, ce qui est particulièrement intéressant si on souhaite que cet interrupteur soit situé dans une zone de la turbomachine plutôt qu’une autre, notamment une zone potentiellement plus ou moins touchée par un incendie. Pour tenir compte de l’encombrement dans l’environnement, on veillera à intégrer le circuit électronique le plus proche possible d’un point de supportage du harnais.
Un tel interrupteur thermique 1 est illustré aux figures 5, 6 et 7. Il est apte à passer d'un état ouvert dans lequel un courant ne peut pas le traverser (figure 5 et 7), à un état fermé dans lequel un courant peut le traverser (figure 6), suite à une augmentation de la température au-delà du seuil de température de fonctionnement du composant électronique auquel il est associé.
Ainsi, la défaillance d'un composant électronique entraine la fermeture de l’interrupteur 1 et n'empêche pas la transmission du signal électrique vers le calculateur 4 qui va donc détecter l’invalidité du signal. En cas d'incendie, les harnais électrique 5 comprenant l’interrupteur 1 garantissent ainsi une transmission des signaux pendant une durée minimale de cinq minutes.
Comme visible à la figure 5, l’interrupteur 1 comprend une enceinte 90 de logement d’un matériau 70 qui est électriquement conducteur et qui présente une température de fusion égale au seuil.
Le matériau 70 se présente ici sous la forme de deux blocs 71, 72 indépendants et n’étant pas en contact l’un avec l’autre. Ces blocs 71, 72, sont en particulier séparés par un gaz inerte 60 d’isolation électrique que renferme l’enceinte 90.
Chaque bloc 71, 72 est par exemple en forme de cylindre. L’interrupteur 1 comprend en outre des supports 50, 51, en particulier sous forme de deux demi-coquilles 50, 51, de préférence en cuivre, et entourant et portant chacun des blocs 71, 72. Les supports 50, 51 sont ainsi situés entre les blocs 71, 72 et l’enceinte 90.
Les blocs 71, 72 sont ici séparés l’un de l’autre par une entretoise isolante 80, par exemple une rondelle en céramique. Les supports en cuivre 50, 51 sont en particulier également séparés l’un de l’autre par l’entretoise 80.
L’enceinte 90 comprend un corps creux 91 formant un réceptacle, qui s’étend axialement le long d’un axe A. Le corps creux 91 présente une ouverture 41 d’introduction du matériau 70, et un couvercle de fermeture 40 de cette ouverture. Le couvercle 40 est par exemple une plaque en céramique et est notamment fixé à l’enceinte 90 avec des vis 30. L’enceinte 90 prend ainsi la forme d’un boîtier, par exemple cylindrique, et en particulier complètement étanche.
L’interrupteur 1 comprend également deux bornes 14, 15 de raccordement électrique au circuit, par exemple des contacts à sertir de type EN3155. Les bornes 14, 15 sont au moins en partie situées dans l’enceinte 90 et en particulier chacune en contact électrique avec l’un des blocs 71, 72. Une première borne 14 est ici située dans une partie supérieure de l’enceinte 90 et une deuxième borne 15 est ici située dans une partie inférieure de l’enceinte 90.
Chacune des bornes 14, 15 traverse de manière étanche le corps 91 ou le couvercle 40. Les bornes 14, 15 peuvent être insérées en force dans l’enceinte 90. Les bornes 14, 15 sont ici situées sur les deux extrémités axiales de l’enceinte, une passant à travers le couvercle 40, et l’autre à travers un fond 92 de l’enceinte 90.
Ainsi, dans ce mode appelé mode de fonctionnement normal, c’est-à-dire à une température inférieure au seuil de température de fonctionnement, les bornes 14, 15 sont isolées électriquement l’une de l’autre, notamment par le gaz 60 d’isolation. Les deux bornes 14, 15 étant séparées et n’ayant pas de liaison électrique, elles maintiennent donc le circuit auquel elles sont connectées ouvert.
Comme visible à la figure 6, lorsque l’interrupteur 1 subit une augmentation de chaleur au-delà du seuil de fonctionnement, le matériau 70 se met à fondre et les deux blocs 71, 72 se mélangent pour ne faire plus qu’un et occuper l’espace dans lequel le gaz 60 était contenu. Le matériau 70 une fois uni, permet la connexion électrique entre les deux bornes 14, 15 de manière à fermer le circuit. Ainsi, dans ce mode appelé mode de sécurité, les deux bornes 14, 15 sont reliées électriquement par le matériau 70 après sa fusion.
Dans le mode de sécurité, le gaz inerte 60 a été poussé vers la partie supérieure de l’enceinte 90 par gravité du matériau 70 fondu. L’interrupteur 1 est de manière avantageuse incliné avec un angle par rapport à la verticale afin de permettre au matériau 70 en fusion de pousser le gaz dans une zone proche d’une périphérie du corps creux 91, c’est-à-dire un endroit de l’enceinte non central et non occupé par les bornes 14, 15. Le gaz est en particulier bloqué entre le matériau 70 et un des supports 50, 51. Cela permet ainsi d’augmenter la longueur du contact entre la borne 14 pénétrant dans l’enceinte 90 et le matériau 70 au niveau de la partie supérieure de l’interrupteur 1.
Des moyens d’étanchéité aux gaz sont situés entre le corps 91 et le couvercle 40 dans le but d’assurer qu’il n’y ait pas de fuite de gaz, notamment lorsque le matériau est en fusion et que le gaz 60 est au contact du couvercle 40.
Tant que le couvercle 40 en céramique n’est pas vissé sur le corps creux 91, on veillera à travailler en atmosphère pressurisé avec le même gaz que celui de l’interrupteur pour éviter des fuites de gaz depuis l’espace situé entre les deux bloc 71, 72.
Le matériau est par exemple de l’étain qui a son point de fusion aux alentours de 230°C. En effet, il est nécessaire que l’interrupteur 1 se déclenche avant que les composants électroniques du circuit ne se détériorent. Une fois que le feu (ou la surchauffe) a cessé, l’étain va revenir à l’état solide tout en assurant une continuité électrique entre les deux bornes 14, 15. Ainsi, si le moteur est toujours allumé, le calculateur continuera à utiliser le modèle de la grandeur qu’on cherchait à protéger. C’est pertinent car le feu (ou la surchauffe) a détérioré de manière irréversible l’électronique du capteur ou du harnais.
L’enceinte 90 est par exemple faite en céramique et la forme du corps 91 en céramique peut ainsi être obtenue par moulage. La céramique gardant une excellente tenue mécanique même au-delà des 1100 °C, l’interrupteur assure donc une continuité électrique pendant au moins 5 min (voire même 15 min) d’exposition au feu.
L’étain a son point de fusion aux alentours de 230°C et l’interrupteur doit se fermer avant que les composants électroniques ne se détériorent. Si certaines résistances tiennent jusqu’à 300°C, il est très difficile de trouver des condensateurs opérationnels au-delà de 200°C. Afin que l’interrupteur se ferme quand même à temps, il faut placer l’interrupteur 1 dans une zone où il sera plus exposé à une surchauffe que le composant électronique. Il est également possible de placer plusieurs interrupteurs sur le harnais, par exemple un dans chaque zone potentielle de surchauffe.
Les variations de température dans une turbomachine imposent de fortes dilatations thermiques. L’interrupteur comportant différents matériaux (céramique, étain, cuivre…), il peut comprendre une ou plusieurs rondelles de ressort 20 configurées pour absorber les dilatations différentielles dans le sens axial. Les rondelles de ressort 20 sont présentes ici à chaque extrémité axiale de l’interrupteur, entre un des supports 51 et le fond 92 de l’enceinte 90 et l’autre des supports 50 et le couvercle 40.
Pour les dilatations radiales, l’interrupteur 1 peut comprendre du PTFE ou téflon® autour des supports 50, 51. Le téflon est souple et pourra ainsi absorber les dilatations radiales. Au niveau de la tenue en température, le téflon est utilisé jusqu’à 250°C. Cela permet de couvrir les cas d’utilisations nominales. Au-delà (cas du feu ou de surchauffe), la dégradation du téflon n’aura pas d’influence sur la fonctionnalité de l’interrupteur 1 dans lequel l’étain sera déjà à l’état fondu.
La figure 7 représente une variante de réalisation de l’interrupteur thermique 1 dans lequel les bornes 14, 15 sont situées du même côté de l’enceinte 90, en particulier inséré dans l’enceinte 90 par le fond 92. Le matériau 70 est ici constitué en un seul bloc disposé à l’écart des bornes 14, 15 et au-dessus de celles-ci.
Lorsque l’interrupteur thermique 1 est soumis à une température supérieure à un seuil prédéterminé, la gravité entrainera le matériau 70 en fusion vers les bornes 14, 15, ce qui va créer une liaison électrique entre les deux bornes 14, 15. Ce mode de réalisation de l’invention permet aux deux bornes 14, 15 de pénétrer au maximum le matériau en fusion afin d’assurer une bonne liaison électrique.
L’interrupteur 1 peut comprendre ici aussi des rondelles de ressort 20 pour absorber les effets axiaux des dilations des différents types de matériau. L’interrupteur 1 renferme ici un gaz inerte 60, se trouvant entre le fond 92 de l’enceinte 90 et le matériau 70, c’est à dire au niveau des bornes 14, 15.
L’interrupteur 1 de l’invention a été décrit ici en relation avec un harnais reliant des capteurs aptes à mesurer les régimes de rotation N1 et N2 et un calculateur, mais pourrait tout à fait être intégrés à d’autres types de harnais reliant d’autres types de capteurs et de calculateur, ou à d’autres types de dispositif électronique sans sortir du cadre de l’invention.
Claims (12)
- Interrupteur thermique (1) pour un circuit électrique d’un aéronef ou moteur d’aéronef, cet interrupteur (1) comportant deux bornes (14, 15) de raccordement électrique audit circuit et étant configuré pour fonctionner selon un premier mode de fonctionnement normal dans lequel il maintient le circuit ouvert, et un second mode de sécurité, dans lequel il ferme le circuit lorsqu’il est soumis à une température supérieure à un seuil thermique prédéterminé, caractérisé en ce qu’il comprend une enceinte (90) de logement d’un matériau (70) qui est électriquement conducteur et qui comporte une température de fusion égale audit seuil thermique, lesdites bornes (14, 15) étant au moins en partie situées dans ladite enceinte (90) et configurées pour, en mode de fonctionnement normal, être isolées l’une de l’autre, et, en mode de sécurité, reliées électriquement par ledit matériau (70) après sa fusion.
- Interrupteur (1) selon la revendication 1, dans lequel ladite enceinte (90) renferme un gaz inerte (60) d’isolation électrique desdites bornes (14, 15).
- Interrupteur (1) selon la revendication 2, dans lequel ledit matériau (70) se présente sous la forme de deux blocs (71, 72) indépendants et séparés par ledit gaz inerte (60).
- Interrupteur (1) selon la revendication 3, dans lequel chacune desdites bornes (14, 15) est, dans ledit mode de fonctionnement normal, en contact électrique avec l’un desdits blocs (71, 72).
- Interrupteur (1) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel lesdits blocs (71, 72) sont séparés l’un de l’autre par une entretoise isolante (80).
- Interrupteur (1) selon la revendication 5, dans lequel chacun des blocs (71, 72) est porté par ou logé dans un support (50, 51) en cuivre ou en un autre matériau dont la température de fusion est supérieure audit seuil thermique, les supports (50, 51) étant traversés chacun par l’une desdites bornes (14, 15) et séparés l’un de l’autre par ladite entretoise (80).
- Interrupteur (1) selon la revendication 6, dans lequel des éléments élastiques choisis parmi des ressorts métalliques et une couche de PTFE sont intercalés dans la direction axiale et dans la direction radiale entre lesdits supports (50, 51) et l’enceinte (90) de façon à absorber une différence de dilatation entre les blocs (71, 72) et l’enceinte (90).
- Interrupteur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite enceinte (90) comprend un corps creux (91) présentant une ouverture (41) d’introduction du matériau (70), et un couvercle de fermeture (40) de cette ouverture (41) avec des moyens d’étanchéité aux gaz situés entre le corps (91) et le couvercle (40).
- Interrupteur (1) selon la revendication 8, dans lequel chacune des bornes (14, 15) traverse de manière étanche le corps (91) ou le couvercle (40).
- Interrupteur (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau (70) électriquement conducteur est de l’étain ou un alliage dont la température de fusion est comprise entre 200°C et 250°C.
- Harnais électrique pour un circuit électrique d’un aéronef ou moteur d’aéronef, ce harnais comportant au moins un interrupteur (1) selon l’une des revendications précédentes.
- Harnais selon la revendication précédente, dans lequel l’interrupteur (1) est intégré à un connecteur électrique du harnais.
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Family
ID=68806972
Family Applications (1)
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| FR1908418A Active FR3099286B1 (fr) | 2019-07-24 | 2019-07-24 | Interrupteur thermique pour un circuit electrique d’un aeronef ou moteur d’aeronef |
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-
2019
- 2019-07-24 FR FR1908418A patent/FR3099286B1/fr active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| FR2222744A1 (fr) * | 1973-03-23 | 1974-10-18 | Mo Valve Cy Ltd | |
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