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Dokumentenidentifikation DE10038119A1 14.02.2002
Titel Wärmestromschalter
Anmelder Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH, 01309 Dresden, DE
Erfinder Binneberg, Armin, Dr.rer.nat., 01705 Freital, DE;
Kaiser, Gunter, Dr.rer.nat., 01219 Dresden, DE
DE-Anmeldedatum 04.08.2000
DE-Aktenzeichen 10038119
Offenlegungstag 14.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.02.2002
IPC-Hauptklasse B64G 1/58
IPC-Nebenklasse F28D 15/00   G05D 23/01   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen mechanischen Wärmestromschalter zum aktiven Durchschalten und Trennen thermisch leitender Verbindungen, insbesondere im kryogenen Temperaturbereich.
Die erfindungsgemäße Schaltpaarung besteht aus der Grundplatte 1 mit der Montagefläche für die Wärmesenke 8 und dem Schaltzylinder 2 mit der Montagefläche für die Wärmequelle 7. Der Schaltzylinder 2 wird im passiven Zustand durch Berylliumbronze-Federn 6 gegen den Anschlagring 3 gepreßt, so daß ein Spalt von ca. 20...50 µm Dicke zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 entsteht und beide Teile thermisch getrennt sind.
Im aktiven Zustand wird der Schaltzylinder 2 durch piezo-elektrische Aktuatoren 4 gegen die Rückstellkraft der Berylliumbronze-Federn 6 auf die Grundplatte 1 gepreßt, wobei zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 ein Wärmestrom übertragen werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Wärmestromschalter zum aktiven Durchschalten und Trennen thermisch leitender Verbindungen, insbesondere im kryogenen Temperaturbereich.

Wärmestromschalter sind zur Reduzierung parasitärer Wärmeleitungsverluste in kryotechnischen Anwendungen erforderlich. In der Satellitenkommunikationstechnik werden Wärmestromschalter zur Kopplung redundanter Kleinkühler an supraleitende Filterbänke benutzt. In der hochempfindlichen Magnetometrie nutzt man Latentwärmespeicher zur Kühlung der hochempfindlichen Sensoren, die zur Rückkühlung an einen Kleinkühler anzukoppeln sind, zur Realisierung langer Meßzeiten jedoch von diesem zu trennen sind.

Zur Realisierung von Wärmestromschaltern werden hauptsächlich drei verschiedene Konzepte genutzt:

  • 1. Gasspalt-Wärmestromschalter mit ventilgesteuerter Gasversorgung
  • 2. Gasspalt-Wärmestromschalter mit Sorptionspumpe
  • 3. mechanischer Wärmestromschalter unter Nutzung thermischer Ausdehnungsdifferenzen.

Mit Gasspalt-Wärmestromschaltern lassen sich Wärmeströme, unabhängig von den aktuellen Temperaturen von Wärmequelle und Wärmesenke, aktiv schalten. Wärmestromschalter mit ventilgesteuerter Gasversorgung erreichen ein sehr gutes Schaltverhältnis von 100 . . . 1000. Sie erfordern zum Betrieb jedoch ein Helium-Druckgasreservoir und eine elektropneumatische Ansteuerung, was zusätzliches Einbauvolumen und -masse mit sich bringt. Durch die Komplexität des Systems steigt die Ausfallwahrscheinlichkeit. Diese Nachteile wiegen insbesondere in der Weltraumtechnik sehr schwer. Der Einsatz einer Sorptionspumpe zum Schalten beim Wärmestromschalter verringert Volumen, Masse und Komplexität sehr wesentlich. Dieses Konzept hat jedoch den Nachteil, daß nur relativ geringe Schaltverhältnisse von 10 . . . 100 realisierbar sind, die in den meisten Anwendungsfällen unzureichend sind. Ein Wärmestromschalter, wie er z. B. in DE 198 35 305 A1 beschrieben ist, kann extrem klein, leicht und zuverlässig realisiert werden. Mit diesem Konzept lassen sich prinzipiell die besten Schaltverhältnisse von über 1000 realisieren. Ein aktives, temperaturunabhängiges Betätigen ist bei diesem Wärmestromschalter nicht möglich und das Schaltverhalten wird wesentlich durch die Ankopplungsbedingungen und die Eigenschaften von Wärmequelle und Wärmesenke bestimmt. Weiterhin zeigen solche Wärmestromschalter z. T. eine extrem starke Hysterese (Einschalten bei 200 K, Ausschalten bei 80 K) und eine hohe mechanische Empfindlichkeit (1 µm Dejustierung verschiebt den Ausschaltpunkt um 10 K).

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer neuen Lösung die Vorzüge aller bisher bekannten Konzepte zu vereinigen, deren Nachteile aber konsequent zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind besonders günstige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Zur Beibehaltung der geringen Masse und Baugröße und zur Realisierung eines hohen Schaltverhältnisses wird ein mechanisches Schaltprinzip genutzt. Die Betätigung des Wärmestromschalters geschieht über eine elektrische Ansteuerung. Zur Realisierung des Schaltwegs werden axiale piezo-elektrische Aktuatoren genutzt. Diese haben ein geringes Volumen, eine geringe Masse und eine hohe Stellkraft. Der relativ geringe Stellweg von ca. 100 µm und die geringe mechanische Leistung stellen in dieser Anwendung keine Nachteile dar. Bedingt durch das piezo-elektrische Prinzip tritt weder in den Aktuatoren noch in deren elektrischen Zuleitungen dissipative Verlustleistung auf. Da nur kurzzeitig dielektrische Verschiebungsströme fließen können die Querschnitte der elektrischen Zuleitungen zu den Aktuatoren so klein gewählt werden, daß deren Längswärmeleitungsverluste vernachlässigbar klein werden.

Der Aufbau eines erfindungsgemäß gestalteten Wärmestromschalters ist in der Abbildung dargestellt. Die Schaltpaarung besteht aus der Grundplatte 1 mit der Montagefläche für die Wärmesenke 7 und dem Schaltzylinder 2 mit der Montagefläche für die Wärmequelle 8. Beide bestehen aus einem Material mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Aluminium, Kupfer oder Saphir.

Der Schaltzylinder 2 wird im passiven Zustand durch Berylliumbronze-Federn 6 gegen den Anschlagring 3 gepreßt, so daß ein Spalt von ca. 20 . . . 50 µm Dicke zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 entsteht und beide Teile thermisch getrennt sind. In diesem Zustand treten nur Wärmeleitungsverluste von der Grundplatte 1 über die drei Distanzhalter 5 und den Anschlagring 3 und parallel über die drei Berylliumbronze-Federn 6 zum Schaltzylinder 2 auf. Durch geeignete Dimensionierung der Federn 6 (viele Windungen) und Distanzhalter 5 (möglichst lang und dünnwandig) und die Auswahl eines Materials mit geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit für die Distanzhalter 5 (z. B. Kevlar-Verbundwerkstoffe) kann der Wärmeübergangswiderstand zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 im offenen Zustand auf Werte von 1000 . . . 5000 K/W gebracht werden. Zur Reduzierung des Wärmestrahlungsverlusts können beide Teile zusätzlich noch mit einer Beschichtung mit geringem Emissionskoeffizienten, z. B. Hartvergoldung, versehen werden.

Im aktiven Zustand wird der Schaltzylinder 2 durch die drei piezo-elektrische Aktuatoren 4 gegen die Rückstellkraft der Berylliumbronze-Federn 6 auf die Grundplatte 1 gepreßt, wobei zwischen Grundplatte 1 und Schaltzylinder 2 ein Wärmestrom übertragen werden kann. Es können dabei Wärmeübergangswiderstände von ca. 1 . . . 2 K/W realisiert werden.

Die typischen Abmessungen eines solchen Wärmestromschalters liegen bei einem Durchmesser von 20 . . . 40 mm und einer Höhe von 10 . . . 20 mm. Beim Einsatz von Aluminium für die Schaltpaarung liegt die typische Masse zwischen 6 . . . 50 g.


Anspruch[de]
  1. 1. Wärmestromschalter zum aktiven Durchschalten und Trennen thermisch leitender Verbindungen, insbesondere im kryogenen Temperaturbereich, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Wärmequelle (8) verbundener Schaltzylinder (2) und dazu korrespondierend eine mit einer Wärmesenke (7) verbundene Grundplatte (1) mittels Druckfedern (6), Distanzhaltem (5) und einem Anschlagring (3) im ausgekoppelten Zustand durch einen Spalt getrennt sind und daß zwischen Grundplatte (1) und Schaltzylinder (2) den Druckfedern (6) entgegenwirkende piezo-elektrische Aktuatoren (4) angeordnet sind.
  2. 2. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei piezoelektrische Aktuatoren (4) und Druckfedern (6) sowie zugeordnete Distanzhalter (5) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
  3. 3. Wärmestromschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckfedern (6) Berylliumbronze-Federn mit hoher Windungszahl eingesetzt werden.
  4. 4. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ausgekoppelten Zustand der Spalt zwischen Schaltzylinder (2) und Grundplatte (1) eine Dicke von 20 . . . 50 µm hat.
  5. 5. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Grundplatte (1) und Schaltzylinder (2) aus Aluminium, Kupfer oder Saphir bestehen und mit einer Beschichtung mit geringem Emissionskoeffizienten, vorzugsweise Hartgold, versehen sind.
  6. 6. Wärmestromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzhalter (5) möglichst lang und dünnwandig ausgebildet sind und aus einem Material mit geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise Kevlar-Verbundwerkstoff, bestehen.






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