Brevet FR2899374A1 — publié le 20071005

La présente invention concerne un interrupteur thermique. L'invention s'applique de manière très générale à chaque fois que deux composants couplés mécaniquement et thermiquement doivent être découplés thermiquement. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 30 REVENDICATIONS 1. Interrupteur thermique, caractérisé en ce que ledit interrupteur comprend un élément (10) de connexion thermique thermiquement conducteur et un actionneur (20) apte à ouvrir ledit interrupteur par rupture mécanique dudit élément (10) de connexion thermique. 2. Interrupteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit io élément (10) de connexion thermique est mécaniquement résilient. 3. Interrupteur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit interrupteur est apte à être maintenu ouvert par des moyens (40) de rappel après rupture mécanique de l'élément (10) de connexion thermique. 4. Interrupteur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que 15 lesdits moyens de rappel sont extérieurs audit interrupteur. 5. Interrupteur thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit interrupteur comprend un organe (30) d'assemblage thermiquement isolant. 6. Interrupteur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit organe (30) d'assemblage comporte une butée mécanique (31). 20 7. Interrupteur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de rappel sont constitués par un organe élastique (40) lié audit interrupteur. 8. Interrupteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit élément (10) de connexion thermique est en 25 saphir. 9. Interrupteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit actionneur (20) est un élément piézoélectrique. 10. Application de l'interrupteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à tout système de thermalisation (refroidissement ou 30 réchauffage) 11. Application de l'interrupteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 aux systèmes de refroidisseurs cryogéniques sol ou embarqués, redondés ou non.