(57)【要約】  本発明は熱スイッチに関し、このスイッチは熱伝導性の均質な構成物により形成された一体的な単一部品からなる熱接続要素（１０）と、この熱接続要素の機械的破断によりこのスイッチを開くためのアクチュエータ（２０）とを有することを特徴とする。【選択図】図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
均質な構成の熱伝導体をなす一体の部材からなる熱接続要素（１０）と、前記熱接続要素（１０）を機械的に破断することでスイッチを開くことが可能なアクチュエータ（２０）と、を有することを特徴とする熱スイッチ。
【請求項２】
前記熱接続要素（１０）は、機械的に弾性を有することを特徴とする請求項１に記載の熱スイッチ。
【請求項３】
熱接続要素（１０）の機械的な破断の後、復帰手段（４０）によって開状態を保つのに適していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱スイッチ。
【請求項４】
前記復帰手段は、前記スイッチの外部にあることを特徴とする請求項３に記載の熱スイッチ。
【請求項５】
断熱接続部材（３０）を有することを特徴とする請求項４に記載の熱スイッチ。
【請求項６】
前記接続部材（３０）は、機械的止め具（３１）を有することを特徴とする請求項５に記載の熱スイッチ。
【請求項７】
前記復帰手段は、前記スイッチに取り付けられた弾性部材（４０）からなることを特徴とする請求項３に記載の熱スイッチ。
【請求項８】
前記熱接続要素（１０）は、サファイアやルビーのようなコランダム材により作られていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱スイッチ。
【請求項９】
前記熱接続要素（１０）は、炭化珪素や炭化タングステンのようなセラミックスにより作られていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱スイッチ。
【請求項１０】
前記熱接続要素（１０）は、ダイヤモンド、グラファイト、珪素、石英、およびガラスのうちいずれか１つにより作られていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱スイッチ。
【請求項１１】
前記アクチュエータ（２０）は圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の熱スイッチ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の熱スイッチを用いた冷却又は加熱システム。
【請求項１３】
代行機能の有無にかかわらず、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の熱スイッチを用いた地上又は機上の低温冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱スイッチに関する。
【０００２】
本発明は非常に大まかに言えば、２つの機械的かつ熱的に接続された要素を、熱的に分断しなければならないような場合に用いられる。
【０００３】
これに関連して、本発明は特に宇宙で用いる装置の極低温冷却に利用する場合に適している。
【背景技術】
【０００４】
従来、２種類の熱スイッチが知られている。
【０００５】
１つは、システムの温度に応じた複数の材料の長さの変化を利用する、差動伸長熱スイッチである。この差動伸長熱スイッチは、所定の温度以下では、１つの材料が収縮することにより異なる部位が接触し、これにより熱的接続が生じる。また、所定の温度を超えると、この異なる部位の間の接触は、熱的接続と共に切り離される。
【０００６】
もう１つは、流体の状態の変化を利用する、相変化熱スイッチである。この流体は、システムの運転温度に合わせて選択される。当該流体がガス状流体である場合、この流体はシステムの低温部分で凝縮し、高温部分において蒸発する。流体の移動は、地上においては重力を利用し、微重力環境では毛管現象を利用してなされる。熱的に要素を分離する際は、システムはこのガスを除去する。またあるいは、代行機能を有する場合、このガスを同様のシステムに移す。
【０００７】
特許文献１は、イリジウムの中間層によって接続された、２つの別個の要素からなる熱伝達装置について開示している。
【０００８】
特許文献２は、温度制御によって溶かすことが可能な金属層を介して接続され、又は切り離される２つの異なる要素からなる部材を用いた熱的結合システムについて開示している。
【特許文献１】ＵＳ５，５２２，２２６
【特許文献２】ＵＳ４，３８４，６１０
【発明の開示】
【０００９】
相変化熱スイッチの主な問題は、運転温度に依存して材料が決まること、熱的接続において大きな熱抵抗があること、接触抵抗が大きく制御することが困難であること、熱的に要素を接続し、又は切り離すための十分な移動を達成するため要素を長くする必要があること、要素間の隙間が小さいため、製造の際に機械的制約が大きいこと、および、要素が分離できない点へ接着する危険性があることである。
【００１０】
また、相変化熱スイッチの主な問題は、運転温度に依存して使う流体が決まること、存在する流体の数は限られており、それにより利用の範囲が制限されること、圧力保持やシーリングに問題があること、システムからの流体の排出による環境問題があること、揚水口、安全装備、移送チューブを配置するための空間が大きいこと、微重力状態において相変化の制御が困難であること、耐用年数及び接続性能がシステムのリーク速度によって制限されること、および、流体が除去された非伝導状態における接続の熱抵抗が、圧力と関連する機械的強度の大きさによって決定されることである。
【００１１】
したがって本発明の目的は、従来の熱スイッチに生じる問題の全てあるいはいくつかを解決することにあり、特に動作、サイズ、および、実行の複雑さの制限された範囲と関連する問題を解決することにある。
【００１２】
このため、大変優れた熱伝導性を有する材料によって熱的接続を生じさせる。システムを熱的に分断する際は、外部作用によってこの接続を機械的に分断する。
【００１３】
つまり、それは、計画通りの運転では優れた熱接続を生じさせるが、一旦機械的な接続が分断されると優れた断熱材となるという利点を有する二状態不可逆装置（熱スイッチ）である。
【００１４】
本発明の熱スイッチは次のような利点も有する。
【００１５】
一つは、計画通りの運転は完全に静的なことである。すなわち、最初の熱的接続を生じさせるために、相変化や部品の移動は必要なく、この接続は自然に熱を伝導する。この接続の分離が必要となる場合は、熱接続要素を破断するために必要な力を作用させるためにアクチュエータを起動させるだけで当該接続が分離される。一旦接続が分断されると、アクチュエータにより作用される力は解除され、熱接続要素は断熱して再び静的な状態になる。
【００１６】
また、もう一つの利点は、熱スイッチがシステムの温度とは無関係に作動することである。特に、システムの温度に依存した流体の状態変化や材料の伸長がある相変化スイッチや差動伸長熱スイッチとは異なり、本発明の熱スイッチは、運転温度とは無関係であり、広い範囲の温度で用いることができる。
【００１７】
また、もう一つの利点は、特に吸込口及び安全装備を必要とする相変化熱スイッチと異なり、本発明の熱スイッチは非常に小さいことである。つまり、本発明の熱スイッチはコンパクトかつ軽量である。
【００１８】
都合の良いことに、上述した熱接続要素は機械的に弾性を有している。すなわち、アクチュエータから熱接続要素に作用される力を低く保つことができる。アクチュエータの力を解除できるように、本発明は熱接続要素の機械的破断の後に、復帰手段によって開状態を維持するのに適している。
【００１９】
本発明の第１の実施形態において、復帰手段はスイッチの外側に設けられている。この場合、その種々の構成要素の機械的結合を保つために、前記スイッチは断熱接続部材を有する。
【００２０】
熱接続要素が破断した後の上記複数の構成要素の移動範囲を制限するため、前記接続部材は機械的な止め具を有している。
【００２１】
本発明の第２の実施形態において、前記復帰手段は前記スイッチに取付けられた弾性部材からなる。この部材はスイッチの周りに取付けられ圧縮応力を与えられたベローでも良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
限定されない実施例による添付図面を参照した以下の説明は、本発明の本質と本発明を実施可能な方法とを示す。
【００２３】
図１ａは一方がスイッチのインターフェース１上に配置され、他方がインターフェース２上に配置された２つの要素の間を熱接続状態とする熱スイッチを示す。これに対し、図１ｂは２つの要素の間が断熱状態となっている熱スイッチを示している。後に詳細に示すように、これらの要素は例えば、ヒートシンクと冷却を必要とする機器の一部分などである。
【００２４】
図１ａ，１ｂに示すように、熱スイッチは２つのインターフェース１，２間に熱接続要素１０を有している。
【００２５】
図１ａに示すスイッチの伝導状態において、この要素１０はインターフェース１，２間でわずかな温度勾配を示す十分な熱伝導性を有している。
【００２６】
インターフェース１，２を熱的に分離する必要がある場合、アクチュエータ２０が作動し、熱接続要素１０を機械的に破断させるのに十分な力を熱接続要素１０に作用させる。アクチュエータ２０の力とサイズを低減し、破断箇所をコントロールするため、熱接続要素１０は、例えばこの要素１０にくびれ状の脆弱領域１１が予備成形されることによって、弾性的に作られる。
【００２７】
図１ｂは図１ａの状態から、上記要素１０が破断した後に断熱状態となったスイッチを示す。
【００２８】
この要素１０の２つに分断された部品間の有効な距離を保つため、外部ばね（図示せず）のような復帰手段が、例えば、インターフェース１に復帰力を作用させ、要素１０の機械的破断の後、熱スイッチを開状態に保つ。
【００２９】
図１ａ，１ｂに示されるように、スイッチ組立体の剛性および破断後の構成要素の案内は、機械的に剛性を有し、かつ断熱性の接続部材３０によって保たれる。機械的な止め具３１は熱接続要素１０の破断後の構成要素の移動を制限するために利用される。
【００３０】
図２ａ，２ｂで示される第２の実施形態で用いられる復帰手段は、図１ａ，１ｂで示す上述の第１の実施形態の復帰手段と異なっている。この第２の実施形態において、復帰力はスイッチに取付けられた弾性部材４０によって作用される。図２ａ，２ｂにおいて、この弾性部材４０は圧縮応力を与えられた状態で取付けられたベローである。
【００３１】
このようなスイッチ構造の利点は、外部環境から完全に隔離された、完全に一体化されたシステムを作ることである。
【００３２】
熱接続要素１０を作る際に、機械的性質および熱的性質を考慮した好適な材料は、コランダム（サファイア、ルビー等）、セラミックス（炭化珪素、炭化タングステン等）、および、ダイヤモンド、グラファイト、珪素、石英、ガラス、および低温で延性−脆性遷移を有するすべての金属である。
【００３３】
これらの材料は、本発明のスイッチの作動に有利な機械的性質と極低温下での最適な熱伝導性とを有している。これらの材料の結晶構造は、低い引張強さと、破断時の伸びが限られているという更なる利点を有している。
【００３４】
複数の壁の間の接触など他の熱的接続と異なり、この熱スイッチは、一体型の均質な接続要素１０を用いるため、内部の余計な接触抵抗が生じない。したがって、提案されたシステムの熱性能は最適である。
【００３５】
よって本発明は、公知の解決方法を超える以下の利点を有する。
【００３６】
接続要素１０が一体型の均質な構造であるため、接続要素１０内部に接合部が必要ない。したがって、このシステムは、より高い機械的負荷を受けることができ、宇宙での利用に特に有利となる。
【００３７】
さらに、一体型の均質な構造は、内部に一つ以上の接合部を有する要素よりも優れた熱伝導性を有している。一体型の要素は、従来技術の構造に見られる接触抵抗を有しない。この接触抵抗は、システム全体としての熱抵抗と同じ桁である。
【００３８】
また、均質な一体型の構造は、スイッチの組立て、製作、および再現性の問題を大幅に低減する。これらの問題は、宇宙での利用において多くの場合に主要な問題である。一度組立てられた接続部材１０は、特に熱の伝達に必要な他の準備、又は特別な材料の使用を必要としない。
【００３９】
さらに、均質な構成の要素からなる一体型の要素は、確実に熱を伝達させるための重要な機能を発揮する。そのようなシステムの信頼性は、材料の相変化や差動的伸長に基づく他のいかなるシステムよりもはるかに高い。
【００４０】
破断箇所をコントロールするために、要素１０において最大荷重を集中させる、断面積を小さくした脆弱部位が設けられている。
【００４１】
機械的強度の理由から、特に宇宙での利用において、脆弱部位の位置は要素１０に沿って変更可能である。この位置は機械的周波数帯域に基づいて最適化することができる。
【００４２】
使用されるアクチュエータは複数の圧電アクチュエータが好適である。圧電アクチュエータは、コンパクトで大きな力を作用することができるという利点を有している。これらのアクチュエータは電圧によって作動され、力を発生し、そして電力が切られるとすぐに初期の状態に復帰する。
【００４３】
さらに、圧電アクチュエータは、真空での低温運転にも利用できる。
【００４４】
剛性接続部材３０は、複数の構成要素を機械的に案内する。しかし、破断の後、２つのインターフェース１，２の間の熱的分離を可能な限り達成するために、この部材を介しての伝導損は最小化されなければならない。使われてもよい材料は、グラスファイバーやエポキシ樹脂である。
【００４５】
最後に、ベロー４０は、薄いステンレス鋼で作られていてもよい。また、その展開長さは、伝導損を低減するため可能な限り長くするべきである。
【００４６】
本発明の熱スイッチの一つの適用例は、代行機能を必要とする宇宙で利用する装置と、複数の低温クーラーと、の間の熱的接続に利用することである。この装置は、例えば検出器、フィルタ、増幅器、ボロメータ、スクリーン、ミラー、光学機器などである。
【００４７】
乗り物に適用するに当たって、代行機能の問題は、エンジニアにとって、装置単体にいくつかの低温クーラーを接続することにある。
【００４８】
通常の極低温回路では、冷却対象の装置は２つの対のクーラーの冷却フィンガと熱的に接続されている。この装置と冷却フィンガの間の熱的な連結は、可撓性を有する例えば銅のような金属の網によりなされる。万一クーラーの一つが故障すると、故障したクーラーは、装置の冷却に寄与しなくなるだけではなく、まだ機能しているもう一方のクーラーへ余分な熱負荷を加える。
【００４９】
本発明の熱スイッチは、故障したクーラーを分離し、停止したクーラーが生み出す不所望な損失を除去するため、従来の低温回路に挿入可能である。
【００５０】
図３は本発明の熱スイッチを組み込んだ代行機能付きの冷却システムの全体構造を示す。
【００５１】
クーラー１００，２００は、例えばスターリング型、ギフォード・マクマホン型、又はパルス管装置、若しくは、ジュール・トマソン型、ペルチェ型、吸収冷却器等のような他のクーラーである。これらのクーラーの冷却フィンガ１０１，２０１は、電動金属網１１０，２１０と装置との間に取付けられた熱スイッチ１２０，２２０および網を介して、冷却対象の装置３００と接続されるか、又は、冷却フィンガは、直接熱スイッチ１２０，２２０上に接続される。
【００５２】
計画通りに運転をしている場合、熱スイッチ１２０，２２０の熱性能は最適であり、システムのエネルギーの供給はこれらのスイッチの存在によっては減損されない。
【００５３】
２つのクーラーは５０％（例えば）の負荷で運転し、それぞれ必要値の５０％を供給する。したがって、クーラーから来る熱損失はない。
【００５４】
クーラー２００の故障の場合には、図３に示されるように、熱スイッチ２２０が作動する。故障したクーラー２００がスイッチ２２０の作動により熱的に分離され、まだ作動しているクーラー１００は、全力で運転し、一台で熱負荷を担う。したがって、クーラー１００に余分な負荷が与えられることはなく、蓄熱が作用することはない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１ａ】伝導状態における本発明の第１の実施形態に係る熱スイッチを示す。
【図１ｂ】断熱状態における図１ａに示された熱スイッチを示す。
【図２ａ】伝導状態における本発明の第２の実施形態に係る熱スイッチを示す。
【図２ｂ】断熱状態における図２ａに示された熱スイッチを示す。
【図３】本発明の熱スイッチの適用例を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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