Brevet FR2734942A1 — publié le 19961206

Description Disposition de capteur munie d'un capteur refroidi par un refroidisseur Joule-Thomson et munie de composants électroniques L'invention concerne une disposition de capteur munie d'un capteur refroidi par un refroidisseur Joule-Thomson et munie de composants électroniques. De tels capteurs sont notamment des capteurs sensibles a l'infrarouge pour des chercheurs qui poursuivent une cible a rayonnement infrarouge. De tels chercheurs sont utilises dans des têtes chercheuses de missiles autodirecteurs. EP-A-O 604 790 décrit une disposition de capteur munie d'un capteur refroidi. Le capteur est disposé dans l'espace vide d'air d'un récipient Dewar. Le récipient Dewar présente un élément intérieur et extérieur de boîtier. Les éléments de boîtier sont développés tous les deux en forme de pot. L'élément extérieur de boîtier mord sur l'élément intérieur de boîtier. Les deux éléments de boîtier délimitent l'espace vide d'air du récipient Dewar. Le "fond" de l'élément intérieur de boîtier porte le capteur sur son côté extérieur situé du côté du vide d'air. L'élément intérieur de boîtier renferme dans son espace intérieur un refroidisseur Joule-Thomson. Un tel refroidisseur Joule-Thomson comprend un échangeur de chaleur sous forme d'une conduite aller en serpentin et une tuyère de détente située à l'extrémité de la conduite aller dans le domaine du "fond" du récipient Dewar. Un gaz de refroidissement sous pression est guidé à travers la conduite aller et s'échappe par la tuyère de détente. À cette occasion le gaz de refroidissement se détend et se refroidit. Le gaz de refroidissement détendu et refroidi circule alors à travers l'échangeur de chaleur vers l'extrémité ouverte du récipient Dewar. Il refroidit à cette occasion le gaz de refroidissement aller sous pression situé en courant contraire. Le gaz de refroidissement ainsi prérefroidi continue d'être ensuite refroidi par la détente lorsqu'il s'échappe de la tuyère. On peut obtenir finalement par ce moyen de très basses températures. Le gaz de refroidissement refroidità cette occasion le capteur de façon correspondante. Après son passage dans l'échangeur de chaleur il s'échappe à l'extrémite ouverte "chaude" du récipient Dewar. Dans EP-A-0O 604 790 le récipient Dewar présente un socle en forme de bride. Le socle se compose d'un premier élément de socle dont la forme est adaptée à l'élément extérieur de boîtier, et un second élément de socle dont la forme est adaptée à l'élément intérieur de boîtier. Une platine en forme de disque annulaire est maintenue de façon étanchante entre le premier et le second élément de socle et délimite un espace vide d'air. Des composants électroniques, dont des circuits intégrés, sont montés sur la platine. La disposition de composants électroniques situés directement à l'extrémité "chaude" du récipient Dewar permet un traitement de signaux des signaux de capteur proche du capteur et réduit la sensibilité aux perturbations électromagnétiques. Pourtant, de tels composants électroniques produisent de la chaleur. Des têtes chercheuses usuelles ont du mal à évacuer cette chaleur. Il faudrait que l'évacuation de la chaleur se produise par les roulements à billes de cadres de cardan dans lesquels le détecteur infrarouge d'un chercheur situé au missile est logé de façon usuelle, ce qui nécessite de longues voies pour la chaleur à évacuer et engendre un mauvais passage de la chaleur. Le chercheur lui-même chauffe en outre pendant son fonctionnement si bien que le transport de la chaleur a lieu par rerayonnement. Cela peut avoir différentes conséquences négatives: La fiabilité des composants est réduite. Il existe le danger que les composants surchauffent. Le système du capteur peut défaillir par ce moyen. La production de chaleur à l'entrée du refroidisseur Joule- Thomson affecte en outre la fonction de ce dernier. Le flux de gaz nécessaire au refroidissement du capteur à une température prédéfinie augmente par ce moyen. Cela limite le temps de vol si le gaz de refroidissement sous pression est fourni par un réservoir sous pression. Dans des cas extrêmes, la limite de puissance du refroidisseur Joule-Thomson dépendante du temps peut être dépassée. Cela mène également à une détérioration de la puissance de refroidissement et le cas echéant a une défaillance du systeme. L'invention a pour but d'améliorer le transport de chaleur de composants électroniques pour des capteurs refroidis de l'espece nommee ci-dessus. Conformement à l'invention, ce probleme est résolu par le fait que des moyens échangeurs de chaleur traversés par le gaz de refroidissement détendu s'échappant du refroidisseur Joule- Thomson sont en contact conducteur de chaleur avec les composants électroniques. L'invention repose sur l'établissement du fait que le gaz de refroidissement retour détendu est encore assez froid après son passage dans l'échangeur de chaleur du refroidisseur Joule- Thomson et apres le prérefroidissement du gaz de refroidissement aller sous pression qui est amené pour réceptionner et transporter une quantité de chaleur appréciable des composants électroniques pour une construction appropriée des moyens échangeurs de chaleur prévus aux composants électroniques. Le gaz de refroidissement détendu et "consomme" qui, inutilisé, s'échapperait sinon dans l'atmosphere est alors encore exploite pour refroidir les composants électroniques. Il est avantageux a cette occasion que la quantité de gaz de refroidissement nécessaire pour le refroidissement du capteur augmente d'autant plus que la température du missile est elevée. On dispose alors également pour le refroidissement des composants électroniques d'une quantité de gaz de refroidissement "consommé" qui est de façon correspondante plus élevée. Un exemple d'exécution de l'invention est expliqué ci- après, plus en détail, en référence aux dessins annexés. La fig. 1 montre une coupe d'un capteur sous forme d'un détecteur infrarouge muni d'un refroidisseur Joule-Thomson, d'un récipient Dewar muni d'un socle en forme de bride et muni de composants électroniques refroidis. La fig. 2 est une représentation schématique en perspective et montre la construction d'un échangeur de chaleur destine a refroidir des composants électroniques. La fig. 2 est une représentation schématique en perspective et montre la construction d'un échangeur de chaleur destiné à refroidir des composants électroniques. Un récipient Dewar en forme de pot est désigné dans la fig. 1 par 10. Le récipient Dewar 10 présente un élément extérieur 12 et un élément intérieur 14. L'élément extérieur 12 mord avec un écart sur l'élément intérieur 14. Un espace vide d'air 16 est formé entre les deux. Un capteur 18 sous forme d'un détecteur infrarouge repose à l'intérieur de l'espace vide d'air 16 sur la surface située du côté du vide d'air d'un "fond" 20 de l'élément intérieur 14 en forme de pot. Un obturateur à froid 22 est en outre placé au fond 20. L'obturateur à froid 22 est refroidi avec le capteur 18 et protège le capteur 18 contre le rayonnement infrarouge qui provient du milieu, p. ex. d'éléments de paroi chauds du missile, et qui frappe directement le capteur 18. L'élément extérieur 12 forme dans le domaine du "fond" une fenêtre 24. L'élément extérieur 12 est fixé de façon étanchante avec un élément de bord 26 en forme de cloche dans un percement 28 d'une bride de montage 30. Un disque annulaire 34 est adjacent à une épaule 32 du percement 28. Le disque annulaire 34 est fixé de façon étanchante à l'intérieur à la surface de manteau cylindrique de l'élément intérieur 14. Le disque annulaire 34 forme la limite inférieure d'après la fig. 1 de l'espace vide d'air 16. Un refroidisseur Joule-Thomson 36 repose dans l'élément intérieur 14 et avec cela dans le récipient Dewar 10. Le refroidisseur Joule-Thomson 36 comprend un échangeur de chaleur 38 muni d'un tuyau 40 en serpentin pour l'amenée de gaz de refroidissement sous pression. Le gaz de refroidissement est amené au tuyau 40 par l'intermédiaire d'une conduite de gaz de refroidissement 42. Le gaz de refroidissement s'échappe d'une tuyère de détente 44 à l'extrémité du tuyau 40 directement en face du fond 20. Le gaz de refroidissement se refroidit lors de la détente. Le gaz de refroidissement peut être par exemple de l'air, de l'azote ou de l'argon. Le gaz de refroidissement détendu et refroidi circule alors en courant contraire de haut en bas d'après la fig. 1 à travers l'échangeur de chaleur 38 à l'encontre du gaz de refroidissement sous pression amené qui circule de bas en haut d'après la fig. 1. Le gaz de refroidissement sous pression est prérefroidi par ce moyen. Après s'être détendu le gaz de refroidissement prérefroidi atteint une température qui s'est abaissée encore une fois. Cela se poursuit, de très basses températures pouvant être générées et p. ex. de l'air pouvant être liquéfié. Le fond 20 est également refroidi à cette occasion avec le capteur 18 et l'obturateur à froid 22 de façon correspondante. La carte de circuits imprimés 46 munie de composants électroniques 48 et 50 qui produisent en fonctionnement de la chaleur de dissipation se trouve à la bride de montage 30 à "l'extrémité chaude" de la disposition de capteur. La carte de circuits imprimés est recouverte par un cache 52 placé à la bride de montage 30. La chaleur des composants électroniques 48 et 50 a, ainsi que cela est décrit ci-dessus, du mal à être évacuée. Les effets négatifs décrits également peuvent apparaître par ce moyen. C'est pour cette raison que les composants électroniques 48 et 50 sont disposés sur des échangeurs de chaleur 54 et 56 respectivement. Les échangeurs de chaleur 54 et 56 sont traversés par le gaz de refroidissement "consommé" qui s'échappe du refroidisseur Joule- Thomson 36 à l'extrémité chaude et qui s'échapperait, selon la technique connue, dans l'atmosphère. Ce gaz de refroidissement consommé est réceptionné dans une chambre 58 et est conduit dans les échangeurs de chaleur 54 et 56 respectivement par l'intermédiaire de conduites 60 et 62. Les échangeurs de chaleur 54 et 56 sont construits selon la façon de la fig. 2. Chaque échangeur de chaleur 54 ou 56 se compose de plusieurs plaques fines de silicium 64, 66, 68, 70, 72 et 74. Un certain nombre de canaux parallèles 76 sont enfoncés chaque fois dans les surfaces des plaques de silicium 64, 66, 68, 70, 72 et 74. Ainsi que l'on peut le voir sur la fig. 2, les plaques de silicium sont posées les unes sur les autres et reliées les unes aux autres de telle façon que les rainures 76 situées dans chacune des plaques de silicium 64, 66, 68, 70, 72 et 74 s'étendent en croix par rapport aux rainures situées dans les plaques de silicium chaque fois adjacentes. Les rainures 76 situées dans les plaques de silicium 64, 68 et 72 s'étendent de gauche a droite d'après la fig. 2. Les rainures situées dans les plaques de silicium 66, 70 et 74 situées entre les deux s'étendent d'avant en arrière. Quand les plaques de silicium 64, 66, 68, 70, 72 et 74 sont reliées les unes aux autres il se produit un système de canaux croisés les uns par rapport aux autres destinés à générer un courant en croix. Les plaques 64 10... 74 peuvent également être disposées de telle façon qu'elles forment un échangeur de chaleur à courant contraire. Le gaz de refroidissement quitte l'échangeur de chaleur du refroidisseur Joule-Thomson avec une température qui est de façon insignifiante inférieure de 8 jusqu'à 10 C à la température ambiante. Du point de vue des qualités thermiques, les gaz de refroidissement usuels comme l'air, l'azote ou l'argon ne sont pas très appropriés en tant que moyens de refroidissement pour un échangeur de chaleur. Ils ne possèdent que de faibles densités, une capacité limitée de chaleur et sont de mauvais conducteurs de chaleur. Ces mauvaises qualités sont largement compensées par la conception habile de l'échangeur de chaleur 54 et 56 respectivement. Dans ce but, l'échangeur de chaleur 54 ou 56 doit posséder des dimensions petites et compactes qui sont chaque fois adaptées au composant électronique à refroidir 48 et 50 respectivement. La surface de l'échangeur de chaleur doit être très grande par rapport au volume de l'échangeur de chaleur. Le matériau de l'échangeur de chaleur 54 ou 56 doit être un très bon conducteur de chaleur. Il n'apparaîtra par ce moyen qu'une petite différence de température entre le composant électronique 48 ou 50 et l'échangeur de chaleur 54 et 56 respectivement. La perte de pression du gaz de refroidissement lorsqu'il traverse l'échangeur de chaleur 54 ou 56 doit être faible. Il y a un faible coefficient de passage de chaleur entre la surface de l'échangeur de chaleur 54 ou 56 et le gaz de refroidissement. Une bonne transmission de chaleur résulte de la grande superficie des canaux traversés. Les dimensions des superficies des échangeurs de chaleur 54 et 56 correspondent environ a celles des composants électroniques à refroidir 48 et 50 respectivement. Pour l'exemple d'exécution représenté dans la fig. 2, les échangeurs de chaleur 54 et 56 ont une superficie de 12 mm x 25 mm et une épaisseur totale de 2 mm. Les plaques de silicium 64, 66, 68, , 72 et 74 prises séparément ont une épaisseur de chaque fois 0,1 mm. Les rainures 76 et les canaux respectivement possèdent une section transversale de 0,07 mm x 0,1 mm. La fabrication des canaux a lieu par un procédé connu de microminiaturisation. Cela peut avoir lieu par le procédé LIGA ou par corrosion anisotrope des plaques de silicium. le silicium a une bonne conductibilité. Les plaques de silicium 64, 66, 68, 70, 72 et 74 prises séparément peuvent être reliées les unes aux autres par soudage ou par collage. On prévoit environ seize couches de plaques de silicium. Dans chaque plaque de silicium on forme environ cent rainures 76 et canaux respectivement. Chaque rainure 76 et chaque canal respectivement a une longueur de 25 mm. Les nervures situées entre les rainures 76 ont une largeur de 0,025 mm. La longueur totale de tous les canaux sera de quarante mètres. La surface de l'échangeur de chaleur est au total de 14 000 mm. Le volume de l'échangeur de chaleur est de 800 mm. Le rapport surface de l'échangeur de chaleur / volume de l'échangeur de chaleur -1 devient avec cela 17,5 mm 1 Le diamètre hydraulique de l'échangeur de chaleur peut être optimalement adapté aux rapports par montage en série ou en parallèle au choix des canaux. Le gaz de refroidissement est extrêmement pur étant donné qu'il a été injecté extrêmement pur pour le processus de refroidissement placé en amont. Les canaux peuvent être extrêmement rétrécis par ce moyen sans que l'on ait besoin de craindre que les canaux se bouchent. En température plus élevée, une puissance plus élevée de refroidissement aux échangeurs de chaleur 54 et 56 est nécessaire. Mais en température plus élevée, le flux de gaz de refroidissement requis par le refroidisseur Joule-Thomson est également plus élevé. Pour un refroidisseur Joule- Thomson avec une puissance de refroidissement d'environ 400 mW avec de l'air de 300 à 100 bars en tant que gaz de refroidissement pour une température ambiante de 70 C, le flux de gaz nécessaire au refroidisseur Joule-Thomson est tellement élevé qu'un flux de chaleur d'environ 350 à 650 mW peut être avec cela évacué des composants électroniques menacés. La température des composants électroniques s'y élève alors à un maximum de 20 C au-dessus de la température ambiante. Avec les échangeurs de chaleur décrits on peut atteindre des nombres de passage de chaleur relativement grands de a = 1.0 kW/m2K pour des pertes de pression faibles par comparaison de 100 à 250 mbars. Revendications 1. Disposition de capteur munie d'un capteur (18) refroidi par un refroidisseur Joule-Thomson (36) et munie de composants électroniques (48,50), caractérisée par le fait que des moyens échangeurs de chaleur (54,56) traversés par le gaz de refroidissement détendu et s'échappant du refroidisseur Joule- Thomson (36) sont en contact conducteur de chaleur avec les composants électroniques (48,50). 2. Disposition de capteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que (a) le refroidisseur Joule-Thomson (36) est disposé dans un récipient Dewar (10) en forme de pot de telle façon que le "fond" (20) du récipient Dewar (10) est refroidi par le gaz de refroidissement se détendant, le gaz de refroidissement détendu circulant en courant contraire vers l'extrémité ouverte du récipient Dewar (10) à travers un échangeur de chaleur (38) destiné à prérefroidir le gaz de refroidissement amené sous pression, (b) le capteur (18) à refroidir est disposé au "fond" (20) du récipient Dewar (10) en forme de pot, (c) un socle auquel les composants électroniques (48,50) se trouvent est formé à l'extrémité ouverte du récipient Dewar (10), et (d) le gaz de refroidissement retour détendu est rassemblé et conduit à travers les moyens échangeurs de chaleur (54,56). 3. Disposition de capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que les moyens échangeurs de chaleur présentent des échangeurs de chaleur (54,56) miniaturisés faits d'un matériau bon conducteur de chaleur, échangeurs qui présentent des fins canaux de refroidissement (76) fabriqués par microminiaturisation. 4. Disposition de capteur selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les échangeurs de chaleur (54,56) se composent de silicium. 5. Disposition de capteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisée par le fait que les échangeurs de chaleur (54,56) sont des blocs pourvus des canaux (76) dont les dimensions correspondent chaque fois environ a celles d'un composant électronique (48,50) associé à refroidir. 6. Disposition de capteur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait que les échangeurs de chaleur sont formés chaque fois de plaques (64,66,68,70,72,74) posées les unes sur les autres munies de rainures parallèles (76). 7. Disposition de capteur selon la revendication 6, caractérisée par le fait que les plaques (64,66,68,70,72,74) sont posées les unes sur les autres de telle façon que les rainures (76) des plaques adjacentes s'étendent en croix les unes par rapport aux autres. 8. Disposition de capteur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisée par le fait que les échangeurs de chaleur (54,56) sont disposés entre un composant électronique (48,50) et une carte de base (46) sur laquelle le composant électronique (48,50) est monté. 9. Disposition de capteur selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisée par le fait que les échangeurs de chaleur sont disposés sur un composant électronique.