FAQ Refroidisseur cryogénique CryoTel

  1. Quels sont les principaux éléments d’un refroidisseur cryogénique CryoTel®?
  2. Comment un refroidisseur cryogénique fonctionne-t-il?
  3. Qu’est-ce que la portance?
  4. La température de rejet, qu’est-ce que c’est?
  5. Qu’est-ce qu’un refroidisseur cryogénique intégral?
  6. Qu’est-ce qu’un refroidisseur à éléments séparés?
  7. Comment puis-je contrôler le refroidisseur?
  8. De quoi ai-je besoin en plus du refroidisseur?
  9. Quelle est la durée de vie de l’appareil?
  10. Quel type d’entretien est nécessaire?
  11. De quelle puissance ai-je besoin?
  12. Y a-t-il un niveau de puissance minimum?
  13. Les paliers à gaz, qu’est-ce que c’es?
  14. Peut-il arriver d’endommager le refroidisseur cryogénique?
  15. Comment puis-je réduire les vibrations?
  16. Qu’est-ce que le cycle de Carnot?
  17. Qu’est-ce que le temps moyen de bon fonctionnemen (MTTF)?
  18. Quelles sont les nouveautés du contrôleur 2ème génération?
  19. Puis-je utiliser le système sous vide?
  20. Quelle est la température maximale à laquelle le refroidisseur cryogénique peut être exposé?
  21. Combien de phases un refroidisseur a-t-il?
  22. Qu’est-ce qu’un équilibreur passif?
  23. Qu’est-ce qu’un équilibreur passif à double fréquence?
  24. Y a-t-il des exigences spéciales en termes de montage pour le refroidisseur CryoTel®?
  25. À la température souhaitée, ma charge de chaleur en régime permanent est faible. Puis-je utiliser un refroidisseur de plus grande capacité afin de réduire le temps de refroidissement?
  26. La section à grand diamètre du refroidisseur cryogénique devient très chaude. Est-ce un problème?
  27. Qu’est-ce qui est fourni avec le refroidisseur?
  28. Les refroidisseurs sont-ils contrôlés par l’ITAR?
  29. Puis-je avoir une extrémité froide personnalisée?
  30. Le refroidisseur cryogénique et le contrôleur sont-ils certifiés CE?

1. Quels sont les principaux éléments d’un refroidisseur cryogénique CryoTel®?

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2. Comment un refroidisseur cryogénique fonctionne-t-il?

Réponse courte:
Un refroidisseur cryogénique Stirling utilise le cycle de Stirling pour convertir l’électricité en mouvements de chaleur à partir de l’extrémité froide vers l’éjecteur de chaleur. L’électricité est convertie par l’intermédiaire d’un moteur linéaire en un mouvement de piston, ce qui par la dynamique du système amène le plongeur à se déplacer, il s’agit là d’un cycle de Stirling entre le piston et le plongeur.

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Le cycle de Stirling se produit 60 fois/seconde. L’extrémité froide du CryoTel® va donc descendre à 40K (-233°C ou -387°F) sans charge à vide.

Réponse longue:
Consultez des livres de thermodynamique ou internet pour trouver des informations sur le cycle de Stirling et d’autres méthodes de refroidissement tels que l’effet Joule-Thompson, le cycle Gifford-McMahon, les réfrigérateurs à dilution.

3. Qu’est-ce que la portance?

La portance est la capacité d’un dispositif de refroidissement cryogénique à évacuer la chaleur de l’extrémité froide et à maintenir dans le même temps la température indiquée. Par exemple, la portance annoncée pour le CryoTel® CT @ 77K est de 11W. Cela signifie que si le client avait une charge de 11W, le refroidisseur pourrait encore maintenir une température de 77K à l’extrémité froide et à la charge.

Voici la puissance nominale annoncée pour le CT:

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Il y a plusieurs points sur cette courbe qui ont leur importance en ce qui concerne les applications. En bas à droite se trouve la légende du rejet de température. Il s’agit de la température au niveau de l’éjecteur de chaleur sur le refroidisseur cryogénique. C’est par l’éjecteur de chaleur qu’est évacuée la chaleur de l’extrémité froide. Les clients peuvent choisir d’utiliser des ailerons de ventilation, une chemise d’eau, ou un système d’évacuation de la chaleur par conduction pour éliminer cette chaleur.

La température à l’extrémité froide (en Kelvin) est mesurée le long de l’axe X inférieur. La mesure de la portance en watts se fait le long de l’axe Y. L’ingénieur vérifiera que la température à l’extrémité froide est bien celle désirée, puis contrôlera la courbe de la température de rejet pour trouver la portance du refroidisseur. Il saura alors combien de watts de charge thermique le refroidisseur cryogénique peut gérer tout en maintenant la température désirée à l’extrémité froide. L’épaisseur des lignes représente la variabilité de fabrication en ce qui concerne les performances de refroidissement cryogénique.

4. La température de rejet, qu’est-ce que c’est?

C’est par l’éjecteur de chaleur qu’est évacuée la chaleur de l’extrémité froide. Les clients peuvent choisir d’utiliser des ailerons de ventilation, une chemise d’eau, ou un système d’évacuation de la chaleur par conduction pour éliminer cette chaleur. Lorsque vous utilisez des ailerons de ventilation, la température de rejet sera supérieure à la température ambiante. Pour une pièce dont la température ambiante est de 28°C, l’éjecteur de chaleur à ailettes de ventilation est d’environ 35°C. Si le client utilise une chemise d’eau, l’éjecteur de chaleur est un peu plus chaud (2-5°C) que la température de l’eau. Plus la température de rejet est basse, meilleures seront les performances du refroidisseur cryogénique. La température de rejet la plus basse qu’un client peut utiliser pour un CryoTel est de 10°C environ. Des températures plus basses sont possibles mais il serait préférable de contacter Sunpower pour bénéficier d’une assistance technique, car certaines modifications doivent peut-être être apportées au refroidisseur pour optimiser les performances.

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5. Qu’est-ce qu’un refroidisseur cryogénique intégral?

Un refroidisseur cryogénique intégral comprend un compresseur (ou un générateur d’ondes de pression) et le plongeur (ou la tête de refroidissement) dans un alésage de cylindre concentrique. Voici un exemple de refroidisseur cryogénique intégral:

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6. Qu’est-ce qu’un refroidisseur à éléments séparés?

Un refroidisseur à éléments séparés dispose d’une tête de refroidissement séparée reliée au compresseur ou au générateur d’ondes de pression par un tube de transfert. Voici un exemple de refroidisseur à éléments séparés:

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7. Comment puis-je contrôler le refroidisseur?

Le contrôleur du refroidisseur cryogénique a deux modes de fonctionnement : le mode Contrôle de température et le mode Contrôle de puissance. En mode Contrôle de température, l’utilisateur saisit la température qu’il souhaite avoir au niveau de la tête de refroidissement et c’est le contrôleur qui va travailler à maintenir cette température. En mode Contrôle de puissance, l’utilisateur va saisir le niveau souhaité de puissance du refroidisseur cryogénique et le contrôleur maintiendra ce niveau. Le refroidisseur cryogénique utilise un capteur de température à résistance de platine (inclus à l’achat) pour permettre un contrôle précis. Le thermomètre doit être placé à l’extrémité froide du refroidisseur (ou très proche d’elle).

8. De quoi ai-je besoin en plus du refroidisseur?

Cela dépend de votre utilisation. En général, les clients ont besoin de refroidir le refroidisseur cryogénique soit avec une chemise d’eau, soit avec des ailettes de ventilation. Les deux sont disponibles en option en configuration fixe ou amovible. Certains clients vont vouloir concevoir leur propre système de refroidissement pour l’appareil, mais cette option est réservée aux utilisateurs avancés qui ont déjà de l’expérience en thermodynamique. Le niveau de refroidissement nécessaire pour le refroidisseur cryogénique correspond à la puissance d’entrée du refroidisseur.

La plupart des clients auront également besoin d’une bride à vide pour fixer le refroidisseur cryogénique à leur dewar ou cryostat. Pour plus d’informations sur les différentes options CryoTel®, click here.

9. Quelle est la durée de vie de l’appareil?

La durée de vie d’un refroidisseur cryogénique est de 5 ans, ce qui correspond à la durée de vie recommandée, même si le temps moyen de bon fonctionnement est de 200 000 heures, soit environ 23 ans. Pour plus d’informations sur ce temps moyen actuel de bon fonctionnement, consultez la section n°19.

10. Quel type d’entretien est nécessaire?

Les composants du refroidisseur cryogénique sont enfermés dans un boitier sous pression soudé et il n’y a aucun moyen d’y accéder. Aucun entretien n’est nécessaire sur le refroidisseur cryogénique. Nous vous recommandons seulement de conserver les ailettes de ventilation libres de toute obstruction si votre dispositif en possède.

11. De quelle puissance ai-je besoin?

Les modèles MT et CT nécessitent une alimentation d’entrée 24V CC. Le GT nécessite une alimentation d’entrée 48V CC.

12. Y a-t-il un niveau de puissance minimum?

Oui, le refroidisseur cryogénique utilise des paliers à gaz, qui permettent un fonctionnement sans contact. Les paliers à gaz ont un niveau de puissance minimale requis pour fournir une pression suffisante et maintenir un fonctionnement sans contact. Ce niveau de puissance minimal dépend de la température de l’extrémité froide ; le contrôleur veille toujours sur le capteur de température afin de maintenir la puissance minimale. La puissance d’entrée minimum vers le contrôleur est la suivante:

  • GT – 70W
  • CT – 60W
  • MT – 30W

13. Les paliers à gaz, qu’est-ce que c’es?

Un palier à gaz est un système sans contact dans lequel une couche de gaz agit comme un lubrifiant qui sépare deux surfaces qui sont en mouvement relatif. Le palier à gaz fonctionne un peu comme une table de air hockey où le palet est « posé » sur une nappe d’air. Certains équipements de mesure de haute précision, comme les machines à mesurer tridimensionnelles, utilisent un palier à gaz pour conserver un niveau de précision et d’exactitude optimal.

14. Peut-il arriver d’endommager le refroidisseur cryogénique?

Pour ne pas l’endommager, ne faites aucune de ces choses:

  • Prendre le refroidisseur par le doigt froid
  • Installer le refroidisseur sur l’extrémité froide.
  • Laisser le doigt froid sans protection. La moindre bosse pourrait rendre l’appareil inutilisable.
  • Percez des trous ou, de toute autre manière, tenter de modifier le réservoir sous pression.
  • Faire fonctionner l’appareil sans refroidissement approprié. La chaleur doit être évacuée de la zone de rejet de chaleur en cuivre. Si le refroidisseur est pourvu d’ailettes de ventilation externes, les ailettes doivent déplacer de l’air et la voie de passage ne doit pas être bloquée.
  • Percer ou endommager le tube de service en cuivre.
  • Exposer les traversées électriques à des contraintes mécaniques ; ex : mouvement axial ou radial, charges axiales, coups ou autres.
  • Monter le refroidisseur en le suspendant à la fixation de l’amortisseur.
  • Appliquer une pression de serrage sur le réservoir sous pression.
  • Retirer le couvercle de protection sur la soudure à froid sur l’extrémité du tube de service en cuivre. Laisser le couvercle sans protection.
  • Contrôler la puissance du refroidisseur en jouant avec les fils d’alimentation entre le contrôleur et le refroidisseur cryogénique.

15. Comment puis-je réduire les vibrations?

Il y a un certain nombre de mesures qui peuvent être prises pour réduire les vibrations du refroidisseur.

  • Isolez le refroidisseur cryogénique en utilisant des plots anti-vibratiles.
  • Isolez l’extrémité froide de la charge en utilisant une tresse de cuivre.
  • Accordez l’amortisseur passif in situ. Contactez Sunpower pour plus d’informations.
  • Utilisez un équilibreur passif à double fréquence, conçu pour réduire l’harmonique de 120 Hz.

16. Qu’est-ce que le cycle de Carnot?

Le cycle de Carnot pour ce qui est de la réfrigération est un cycle thermodynamique théorique destiné à représenter le cycle le plus efficace pour créer une différence de température en effectuant une quantité donnée de travail.

En 1823, Nicolas Léonard Sadi Carnot propose le théorème de Carnot. Il stipule qu’aucun moteur fonctionnant entre deux réservoirs de chaleur ne peut être plus efficace qu’un moteur fonctionnant à l’aide du cycle de Carnot entre ces deux mêmes réservoirs.

Pour un refroidisseur cryogénique, les deux réservoirs de chaleur sont l’extrémité froide et l’éjecteur de chaleur. Efficacité d’un cycle de Carnot:

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Qcold est l’énergie du réservoir froid, Qhot est l’énergie du réservoir chaud, et W est le travail effectué sur le système. L’énergie d’un réservoir est proportionnelle à la température, nous pouvons donc convertir Q en T, mais nous devons d’abord convertir toutes les unités en Kelvin.

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Puisqu’aucun refroidisseur ne pouvait être plus efficace qu’un refroidisseur cryogénique utilisant le cycle de Carnot, l’efficacité d’un refroidisseur est donnée en pourcentage du rendement de Carnot. L’équation pour déterminer le % de rendement de Carnot pour un refroidisseur cryogénique est:

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Thus, the overall equation for % Carnot efficiency is:

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To determine the % Carnot efficiency for a CryoTel  CT all we need is the performance curve given earlier. The Thot=35°C (35+273=308K), Tcold=77K. Pinput=160 Watts for the CryoTel CT, and lift = 10W.

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17. Qu’est-ce que le temps moyen de bon fonctionnemen (MTTF)?

Pour comprendre ce qu’est le temps moyen de bon fonctionnement, nous allons d’abord étudier un autre concept : le temps moyen entre pannes. Le temps moyen entre pannes correspond à la période de temps écoulé entre deux pannes inhérentes à un système en cours de fonctionnement dans un modèle qui suppose généralement que le système défaillant est immédiatement réparé. Ceci vient en complément au temps moyen de bon fonctionnement, qui mesure la durée moyenne de fonctionnement avant panne dans un modèle qui suppose généralement que le système défaillant n’est pas ou ne peut pas être réparé. En raison de la nature du processus de fabrication et de montage des refroidisseurs cryogéniques, ceux-ci ne peuvent pas être réparés après une panne inhérente au système, le temps moyen de bon fonctionnement est donc le terme standard de l’industrie pour indiquer la fiabilité d’un dispositif de refroidissement cryogénique.

L’explication statistique de la probabilité d’une panne pour un refroidisseur cryogénique est représentée par la courbe en forme de baignoire, illustrée ci-dessous:

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Comme le refroidisseur cryogénique est un mécanisme de précision qui s’appuie sur des composants dont la taille est de l’ordre du micron (0,000001 m), il s’agit d’un phénomène connu sous le nom de « mortalité infantile ». C’est ce qui arrive quand une partie du système de refroidissement cryogénique n’est pas dans la bande de tolérance, ce qui provoque inévitablement la panne du système. Les refroidisseurs cryogéniques SunPower sont soumis à une période de rodage où le refroidisseur est géré en continu pendant une période de temps donnée pour contrôler le taux de mortalité infantile et supprimer ces refroidisseurs de la ligne de production. Sunpower a accumulé suffisamment d’expérience dans la fabrication de ce genre de produits et a su éliminer toutes les causes de cette « mortalité infantile », et nous n’observons plus de défaillance de ce genre. Cependant, nous soumettons toujours les refroidisseurs cryogéniques à une période de rodage dans le cadre de notre politique d’assurance qualité et de nos processus de test.

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Le temps moyen de bon fonctionnement est donc la période au bout de laquelle une panne globale du refroidisseur va survenir et l’ensemble de la production suivra la « voie de la panne ». À ce jour, on ne sait pas à quel moment intervient la panne globale pour un refroidisseur cryogénique CryoTel. Le temps moyen de bon fonctionnement indiqué pour les produits CryoTel est de plus de 200 000 heures (plus de 23 ans). Ce délai a été calculé par un organisme indépendant qui utilise des méthodes statistiques, qui vont au-delà de la portée de cette formation, basées sur des données tirées des déclarations des clients et des tests en interne.

18. Quelles sont les nouveautés du contrôleur 2ème génération?

Le contrôleur de 2ème génération émet un signal plus sinusoïdal dans le refroidisseur que celui de la 1ère génération. Le système est donc moins bruyant, et pour certaines applications, le niveau des vibrations est plus bas.

Le contrôleur de 2ème génération dispose également de fonctionnalités supplémentaires telles que:

  • Marche/arrêt à distance : L’utilisateur peut insérer un interrupteur qui met en marche ou arrête le refroidisseur cryogénique. Le client peut insérer un thermostat pour éteindre le refroidisseur cryogénique si le mécanisme de refroidissement tombe en panne et éviter que celui-ci ne soit endommagé, ou il peut aussi utiliser une boucle de commande séparée pour déterminer quand le refroidisseur cryogénique doit être activé ou désactivé en fonction de ses besoins.
  • Limite de puissance max : L’utilisateur peut limiter la puissance maximale du refroidisseur cryogénique.
  • Puissance min. : L’utilisateur peut régler la puissance minimum du refroidisseur. Notez que les exigences de puissance minimales pour les paliers à gaz remplacent les valeurs de puissance minimale réglées par l’utilisateur.
  • Modification des constantes de la boucle de régulation de la température : Un utilisateur avancé peut modifier les constantes de la boucle de régulation de la température pour mieux correspondre à la dynamique de leur système.
  • Verrouillage par mot de passe : L’utilisateur peut exiger qu’un mot de passe soit utilisé pour pouvoir modifier les paramètres du contrôleur.

19. Puis-je utiliser le système sous vide?

Le refroidisseur cryogénique peut fonctionner sous vide sans aucun problème. Toutefois, le contrôleur possède des condensateurs qui peuvent ne pas convenir et ceux-ci pourraient éclater. Il est donc préférable de ne pas utiliser le contrôleur sous vide.

20. Quelle est la température maximale à laquelle le refroidisseur cryogénique peut être exposé?

Les spécifications environnementales applicables au refroidisseur cryogénique sont entre -40°C et 60°C.

21. Combien de phases un refroidisseur a-t-il?

Les refroidisseurs cryogéniques Sunpower n’ont qu’une phase.

22. Qu’est-ce qu’un équilibreur passif?

Un équilibreur passif (aussi appelé amortisseur passif) est conçu pour absorber l’énergie que le refroidisseur diffuse dans le système sous forme de vibrations. L’équilibreur passif est optimisé pour absorber l’énergie à 60Hz, qui est aussi la fréquence du piston du refroidisseur cryogénique. En absorbant l’énergie, l’équilibreur passif permet de réduire les vibrations de l’ensemble du système à la fréquence à laquelle l’équilibreur a été réglé/optimisé.

L’équilibreur passif peut être ajusté in situ pour optimiser le rendement de l’unité de base sur le système du client. Merci de demander à Sunpower comment régler l’équilibreur passif in situ.

23. Qu’est-ce qu’un équilibreur passif à double fréquence?

L’équilibreur passif à double fréquence est un autre équilibreur passif qui se trouve à l’intérieur de l’équilibreur passif primaire à 60Hz. L’équilibreur passif à double fréquence est réglé pour absorber de l’énergie à 120 Hz, en plus de 60Hz.

24. Y a-t-il des exigences spéciales en termes de montage pour le refroidisseur CryoTel®?

Les refroidisseurs cryogéniques CryoTel® autorisent plusieurs configurations de montage. Il existe des modèles de trous taraudés dans le corps du dispositif de refroidissement qui sont destinés au processus de montage. Le refroidisseur peut être installé sur le système par l’intermédiaire de la bride du cryostat soit verticalement, soit horizontalement, avec le refroidisseur placé en porte à faux par rapport à la bride. Remarque : Vous devez prendre soin de ne pas fixer le refroidisseur cryogénique à la structure du système de telle manière à induire une pression sur le corps du refroidisseur.

25. À la température souhaitée, ma charge de chaleur en régime permanent est faible. Puis-je utiliser un refroidisseur de plus grande capacité afin de réduire le temps de refroidissement?

Les refroidisseurs cryogéniques CryoTel® ont un seuil de puissance minimal. Le contrôleur établit le niveau minimum et ne permettra pas que le refroidisseur fonctionne en dessous de ce point. Cette précaution est nécessaire pour maintenir en place le système à coussin d’air qui est utilisé pour les pièces mobiles. Si la puissance frigorifique minimale (portance) du modèle de refroidisseur cryogénique à la température souhaitée est supérieure à la charge thermique de l’appareil de l’utilisateur, le refroidisseur cryogénique ne sera pas en mesure de maintenir la température voulue. La température de charge va diminuer jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint entre la charge thermique et la portance du refroidisseur. Dans ces situations, le client peut ajouter un élément chauffant à leur charge.

26. La section à grand diamètre du refroidisseur cryogénique devient très chaude. Est-ce un problème?

Nous appelons cette section le « terminal » du refroidisseur, c’est là que le moteur est logé. Le refroidisseur peut fonctionner indéfiniment avec un terminal à 80°C ou moins sans endommager le réfrigérateur cryogénique. Cependant, les performances du refroidisseur seront affectées si la température dépasse les 80°C. Nous recommandons, lorsque cela est possible, qu’un système de refroidissement actif soit prévu pour le terminal (par ventilation, conduction ou avec un liquide.) Contactez l’assistance technique de Sunpower info@sunpowerinc.com pour savoir comment évacuer la chaleur du refroidisseur cryogénique.

27. Qu’est-ce qui est fourni avec le refroidisseur?

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Les éléments ci-dessus sont fournis lors de l’achat d’un refroidisseur cryogénique.

  1. Refroidisseur cryogénique (illustré avec une chemise d’eau – en option)
  2. Contrôleur pour contrôler le refroidisseur
  3. Thermomètre à résistance de platine – à attacher sur l’extrémité froide ou près d’elle sur la charge.
  4. Câble de connexion – pour pouvoir relier le contrôleur et le refroidisseur
  5. Câble série – pour relier le contrôleur et le PC
  6. Interface de capteur – pour connecter le capteur à résistance de platine au contrôleur

28. Les refroidisseurs sont-ils contrôlés par l’ITAR?

Les exportations de refroidisseurs cryogéniques Sunpower sont contrôlées conjointement par la Direction des contrôles du commerce de défense du Département d’État américain et par le Bureau de l’industrie et de la sécurité du Département du Commerce américain. L’ITAR contrôle les données techniques du produit, y compris mais sans s’y limiter:

  • Les dessins techniques
  • Les informations sur la fabrication

Le refroidisseur lui-même, contrôlé par le Département du Commerce et le n°ECCN (numéro de classification pour le contrôle des exportations) est le 6A002.D.2.A. Une licence d’exportation est nécessaire pour certains pays. Pour déterminer les pays qui nécessitent une licence d’exportation, consultez le tableau des pays du Département du Commerce (Supplément n°1 jusqu’à la partie 738) et regardez si un « X » apparait dans la cellule à côté du pays en question pour l’un des identificateurs de colonne « NS2 » ou « AT1 ». Si tel est le cas, une licence est nécessaire.

29. Puis-je avoir une extrémité froide personnalisée?

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Oui, Sunpower offre à ses clients la possibilité de modifier l’extrémité froide moyennant un supplément, en fonction de la complexité. Le délai de livraison sera également plus grand.

30. Le refroidisseur cryogénique et le contrôleur sont-ils certifiés CE?

Ni le contrôleur, ni le refroidisseur ne se branchent directement sur une prise murale, une certification CE n’est donc pas applicable. Le contrôleur et le refroidisseur ont tous deux passé la certification CE, puisque ce sont des produits client.