CN101416010A

CN101416010A - 热开关

Info

Publication number: CN101416010A
Application number: CNA2007800119659A
Authority: CN
Inventors: J·堂尚; T·特罗利埃
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2009-04-22
Also published as: WO2007116157A3; EP2005087A2; US20100065263A1; FR2899374B1; FR2899374A1; JP2009531821A; WO2007116157A2

Abstract

本发明涉及一种热开关，其特征在于，所述该热开关包括包含一体式部件的热连接元件(10)和启动器(20)，所述一体式部件形成具有匀质组成的热传导体部，所述启动器能够通过机械地断开所述热连接元件(10)而打开所述开关。

Description

热开关

技术领域

本发明涉及一种热开关。

本发明通常用于两个机械连接和热连接的部件必须被热分离的情况。

在本文中，本发明特别有利地应用于空间设备的低温冷却。

背景技术

现在，已知两种类型的热开关：

-基于材料长度响应于***温度而改变的原理的差动膨胀(àdilatation différentielle)热开关。在某一温度以下，其中一种材料的收缩使得不同的部分相接触，从而提供热连接。但是，在这个温度以上，不同部分之间的接触和热连接一起都被断开。

-基于流体状态改变的相变热开关，所述流体选择成适合于***的操作温度。如果是气态流体，它将在***的冷部上冷凝，在热部上蒸发。质量的转移在地面应用中受到重力的影响，在微重力的应用中受到毛细作用的影响。为了将部件热断开，清除***的气体，或者可选择地，在冗余的情况下将所述气体转移到一类似的***。

文献US 5,522,226描述了一种传热装置，其包括通过铱中间层相连的两个分隔的部件。

文献US 4,384,610描述了一种热连接***，其使用一包括两个不同部件的构件，所述两个不同部件经由可通过温度控制而被熔化的金属层分隔或连接。

相变热开关的主要问题是：

-依赖于由材料确定的操作温度，

-连接的热阻较大，

-接触阻力较大且难以控制，

-需要长的部件以获得足够的运动来热连接或断开部件，

-由于部件之间的小的间隙，在制造方面的机械限制很大，

-存在部件接合于一点而无法分开的危险。

相变热开关的主要问题是：

-依赖于由所使用的流体确定的操作温度，

-存在有限数量的流体，这会限制使用范围，

-压力保持和密封的问题，

-在从***排空流体的过程中与污染有关的问题，

-由于泵接口、***件和输送管道而造成大的尺寸，

-在微重力的情况下难以控制相变，

-连接的使用寿命和性能受到***泄漏率的限制，

-连接在非传导状态、无流体时的热阻通过关于与压力相关的机械强度定尺寸来确定。

因此，本发明的目的是解决现有热开关所遇到的全部或部分问题，特别是那些与有限的操作范围、尺寸和操作复杂性相关的问题。

发明内容

因此，由具有很好的热传导性的材料形成热连接。为了热断开***，外部作用机械地断开此连接。

因此，这是一种双态不可逆装置，该装置的优点是，在标称操作过程中提供优良的热连接体，而一旦机械连接断开后又成为优良的热绝缘体。

根据本发明的热开关的其它优点是：

-标称操作是完全被动的。不需要相变和可动部分来形成初始的热连接。所述连接本质上是热传导。当需要断开时，仅需要致动启动器以使得施加必需的作用力来断开热连接元件即可。一旦连接断开，便可去除由启动器施加的力，而热连接元件热绝缘并重新处于被动。

-它独立于***的温度而进行操作。具体地，与依赖于流体状态变化温度或依赖于材料膨胀的相变热开关或差动膨胀热开关不同，本发明的热开关与操作温度无关，并可在很宽的温度范围内使用。

-它很小，特别是与需要填加接口和安全构件的相变热开关不同，本发明的热开关紧凑且重量轻。

有利地，所述热连接元件具有机械弹性，这意味着启动器必须向所述热连接元件施加的力可保持较低。

为了使能去除启动器的作用力，本发明提出，在热连接元件机械断开之后，通过返回机构(moyens de rappel)保持打开是适宜的。

在本发明的第一实施例中，所述返回机构位于所述开关的外部。

在该情况下，提出所述开关包括热绝缘的连接构件，以便保持其不同的组成部件的机械结合性。

在热连接元件断开后，为了限制部件的运动范围，所述连接构件包括一机械止挡。

在本发明的第二实施例中，所述返回机构包括连接到所述开关的弹性构件。此构件可以是安装在所述开关周围的预加应力的波纹管。

附图说明

通过非限制性示例，下面参考附图所作的说明将清楚地示出本发明的实质及其实施方式。

图1a是根据本发明的热开关的第一实施例在传导状态下的示意图；

图1b是如图1a所示的热开关在热绝缘状态下的示意图；

图2a是根据本发明的热开关的第二实施例在传导状态下的示意图；

图2b是如图2a所示的热开关在热绝缘状态下的示意图；

图3是示出根据本发明的开关的应用示例的示意图。

具体实施方式

图1a和图1b示出了一种热开关，该热开关设计成在分别设置在开关的界面1和界面2上的两个部件之间提供热接触或热绝缘。如随后可详细看到的，这些部件可以例如是冷源和待冷却的设备。

如图1a和图1b所示，热开关包括位于两个界面1、2之间的热连接元件10。

在如图1a所示的开关的标称传导状态下，元件10具有足够的热传导性，使得在界面1、2之间呈现小的热梯度。

如果需要将界面1、2热分离，则致动启动器20使得向热连接元件10施加足够的力，以便使所述元件10机械地断开。为了减小作用力和启动器20的尺寸并控制断开，使所述元件10具有弹性——例如通过在元件10中预先形成的腰部状的脆弱区域11。

图1b示出图1a的开关在元件10断开之后处于热绝缘状态。

为了在元件10的两个余留部分之间保持有效距离，设置返回机构、例如外部弹簧(未示出)，以例如在界面1上施加返回力，并在元件10断开之后使热开关保持打开。

如图1a和图1b可见，通过机械刚性且热绝缘的连接构件30来保持开关组件的刚性和断开之后对部件的引导。

图2a和图2b示出的实施例与上面结合图1a和图1b所述的实施例的不同之处在于所使用的返回机构。在该第二实施例中，通过连接到开关的弹性构件40施加返回力。在图2a和图2b中，此构件40是按预加应力状态安装的波纹管。

这种开关结构的优点是，可形成与外部环境完全隔离的完全一体的***。

在生产热连接元件10时，在机械属性和热属性之间提供最佳折衷的材料是：

-刚玉(蓝宝石、红宝石等)，

-陶瓷(金刚砂/碳化硅、碳化钨等)，以及

-金刚石、石墨、硅、石英、玻璃和所有在低温下可进行延性-脆性转变的金属。

这些材料具有有利于本发明的开关进行操作的机械属性和在低温下的最佳的热传导性。这些材料的晶体结构提供了低的拉伸强度和在断裂时的有限的伸长量的额外的优点。

与其它依赖于两个或多个壁之间的接触的热连接不同，我们的热开关由于使用了一体式的、匀质的连接元件10而不增加内部接触阻力。因此，所提供的***的热性能最佳。

本发明与已知方案相比具有以下优点：

连接元件10的一体式的匀质结构避免了对连接元件10内的内部接合件的需要。从而所述***可承受更高的机械负荷，特别有利于空间应用。

同时，一体式的匀质结构与具有一个或多个内部连接件的元件相比具有更好的热传导性。一体式元件不具有在现有技术的布置中存在的接触阻力，该接触阻力可与整个***的热阻处于相同量级。

另外，匀质的一体式结构极大地减小了开关的组装、制造和可再造性的问题，这些经常是空间应用中的主要问题。连接元件10一旦被制造就不再需要准备或使用需要特别地用来传输热的额外的材料。

此外，所述包括具有匀质组成的部件的一体式元件必然能执行主要功能，也就是传输热。这种***的可靠性比基于材料相变或差动膨胀的任何其它***的可靠性都高。

为了控制断开，在元件10中以减小断面的形式产生一脆弱区域，其中可具有最大应力。

由于机械强度的原因，特别是在空间应用中，脆弱区域的位置可沿元件10而变化。此位置可在力学谱的基础上进行优化。

使用的启动器优选为压电式启动器。它们的优点在于紧凑并能施加大的作用力。启动器通过电压来启动，产生作用力，并在电源切断后即恢复它们的初始状态。

此外，压电式启动器与真空中的低温操作相容。

刚性连接构件30给部件提供机械引导。但是，断开之后，通过此构件的传导损失必须最小，以确保两个界面1、2之间的热断开尽可能有效。可使用的材料是玻璃纤维和环氧树脂。

最后，波纹管40可以由薄的不锈钢制成。其展开长度应当尽量长，以减少传导损失。

根据本发明的热开关的一个应用是将低温冷却器热连接到需要冗余的用于空间应用的设备。所述设备可以例如是检测器、过滤器、放大器、测辐射热仪、屏障、镜、光学器件等。

在车辆应用中的冗余问题使得工程师将单件设备连接到多个低温冷却器。

在常见的低温链中，要冷却的设备热连接到有冗余的两个冷却器的指状冷端。例如由铜制成的柔性金属网提供所述设备和指状冷端之间的热连接体。如果一个冷却器出了故障，出故障的冷却器不仅停止参与对设备的冷却，而且还对仍然起作用的冷却器增加额外的热负荷。

可在常规的低温链中***本发明的热开关，以断开故障冷却器并消除在其不起作用时产生的不必要的损失。

图3示出了一种用于(有)冗余的冷却***的结合有根据本发明的热开关的装备。

冷却器100、200可以例如是Stirling、Gifford-McMahon或脉冲管机或其它任何冷却器，例如Joule-Thomson、Peltier、吸收式或其它冷却器。这些冷却器的指状冷端101、201经由导热金属网110、210和安装在所述网与待冷却设备300之间的热开关120、220连接到所述设备300，或者直接连接到热开关120、220上。

当按标称操作时，所述开关120、220的热性能为最佳，因此***的能量预算不会因为这些热开关的存在而减少。所述两个冷却器按50％负荷运行(例如)，分别供应需求量的50％。因此没有来自冷却器的热损失。

在冷却器200出故障的情况下，如图3所示，开启热开关220。仍然起作用的冷却器100以全功率运行，并单独承担热负荷，同时，出故障的冷却器200由于热开关220的作用而被热断开。因此，冷却器100上没有额外的负荷，热预算不受影响。

Claims

1.一种热开关，其特征在于，该热开关包括包含一体式部件的热连接元件(10)和启动器(20)，所述一体式部件形成具有匀质组成的热传导体部，所述启动器能够通过机械地断开所述热连接元件(10)来打开所述开关。

2.根据权利要求1所述的热开关，其特征在于，所述热连接元件(10)具有机械弹性。

3.根据权利要求1或2所述的热开关，其特征在于，在热连接元件(10)机械断开后适于通过返回机构(40)保持打开。

4.根据权利要求3所述的热开关，其特征在于，所述返回机构位于所述开关的外部。

5.根据权利要求4所述的热开关，其特征在于，包括热绝缘的连接构件(30)。

6.根据权利要求5所述的热开关，其特征在于，所述连接构件(30)包括一机械止挡(31)。

7.根据权利要求3所述的热开关，其特征在于，所述返回机构包括连接到所述开关的弹性构件(40)。

8.根据权利要求1到7中任何一项所述的热开关，其特征在于，所述热连接元件(10)由刚玉材料、例如蓝宝石或红宝石制成。

9.根据权利要求1到7中任何一项所述的热开关，其特征在于，所述热连接元件(10)由陶瓷、例如金刚砂或碳化钨制成。

10.根据权利要求1到7中任何一项所述的热开关，其特征在于，所述热连接元件(10)由以下材料之一制成：金刚石、石墨、硅、石英和玻璃。

11.根据权利要求1到10中任何一项所述的热开关，其特征在于，所述启动器(20)是压电部件。

12.根据权利要求1到11中任何一项所述的热开关用于任何热能***(冷却或加热)的应用。

13.根据权利要求1到11中任何一项所述的热开关用于具有或不具有冗余的地面或车载低温冷却***的应用。