Brevet FR2813951A1 — publié le 20020315

REFRIGERATEUR PASSIF A RADIATEURS La présente invention concerne les réfrigérateurs passifs destinés à refroidir un objet qu'ils portent - et qui constitue une charge thermique - par rayonnement vers l'espace "froid" ou "noir". Elle trouve une application particulièrement importante, mais non exclusive, dans les véhicules spatiaux et satellites portant des instruments qui doivent, en totalité ou en partie, être refroidis à des températures basses. On peut notamment citer, à titre d'exemple, les détecteurs des instruments optiques fonctionnant dans l'infrarouge. Les réfrigérateurs passifs à radiateurs sont connus depuis très longtemps (brevet FR 1 338 881 et brevet US 3 422 886). Les satellites Météosat utilisent un tel réfrigérateur passif, ayant une enveloppe portant l'objet sur une face d'extrémité et ouverte à l'autre extrémité, l'enveloppe ayant, à partir de ladite autre extrémité : un pare-soleil évasé vers l'extérieur à face interne réfléchissante ; un premier étage radiateur présentant une surface annulaire radiative ; et un réflecteur convergeant vers le bas et dont la surface interne a une forme destinée à soustraire un second étage radiateu, relié à l'objet, au rayonnement provenant du pare-soleil. La figure 1 donne une représentation simplifiée d'un tel réfrigérateur passif, utilisé sur des satellites Météosat placés sur une orbite géostationnaire. Le réfrigérateur présente une forme de révolution autour de son axe 10, disposé suivant l'axe de spin du satellite, orienté Nord-Sud. Il est placé au centre du satellite et reçoit le rayonnement destiné à un détecteur qu 'il contient depuis le bas sur la figure 1. Le radiomètre Météosat est embarqué au centre du satellite dont l'axe de spin (Z) est orienté sud-nord (voir figure 1). Le réfrigérateur est aligné sur l'axe de spin et est axisymétrique, du moins en ce qui concerne la définition des surfaces externes. Le satellite étant sur une orbite équatoriale, l'inclinaison du soleil varie de 23.5 de part et d'autre du plan 12 entre les solstices d'hiver et d'été. Le cas thermiquement le plus défavorable est lorsque les rayons du soleil pénètrent dans le réfrigérateur avec une inclinaison de 23.5 . Le pare-soleil 14 pour fonction de rejeter le flux solaire à l'extérieur du réfrigérateur. Il a une forme en tronc de cône de demi angle 25 pour 'tenir compte des tolérances sur l'attitude du satellite). Ce pare soleil présente un revêtement hautement réfléchissant, constitué par exemple d'une couche de nickel et d'un dépôt d'aluminium. Bien qu'environ 80% du flux solaire soit réfléchi par le pare soleil, la partie absorbée l'échauffe . La chaleur est partiellement évacuée par une collerette radiative 16 située sur le pourtour externe du pare soleil. La collerette est recouverte d'une couche présentant une forte émissivité et une absorptivité solaire limitée. La température du pare soleil peut ainsi être maintenue entre 280 et 300 K. Un premier radiateur 17 protégé du flux solaire incident par le pare soleil refroidit la structure interne du radiateur, dite premier étage, à une température de l'ordre de 150 K. Il est difficile de descendre plus bas car le pare soleil génère sur ce radiateur une charge thermique importante due d'une part au couplage radiatif (la température du pare soleil restant très élevée par rapport à celle de la structure ), d'autre part à la diffusion d'une partie du flux solaire incident par le pare soleil. Pour obtenir des températures plus basses, de l'ordre de 100 K, il est prévu un second radiateur 18 protégé du rayonnement du pare soleil, constitué par une plaque reliée à une matrice 20 de sites photosensible d'un détecteur infrarouge constituant l'objet à refroidir. Cette matrice est placée au plan focal d'une optique extérieure non représentée. La partie froide est protégée par un réflecteur conique interne 22 en forme de tronc de cône à surface réfléchissante. La géométrie du cône est telle que tout rayon issu du pare soleil est rejeté et n'atteint pas le second radiateur. La plaque radiative constituant le second radiateur 18 a forcément des dimensions réduites par rapport à celles du pare soleil, dont le diamètre est même limité. En conséquence elle ne permet de dissiper qu'une très faible puissance et par ailleurs elle laisse peu de place disponible pour l'objet à refroidir. L'invention vise à réduire les inconvénients ci-dessus et notamment de permettre, à encombrement donné, d'augmenter la puissance qui peut être évacuée d'un objet en le maintenant à une température donnée et/ou de fournir un espace supplémentaire pouvant accueillir un objet à maintenir à une température basse, mais supérieure à celle du second radiateur 18. Dans ce but l'invention propose des dispositions avantageusement utilisables en combinaison mais pouvant l'être indépendamment. Suivant un premier aspect de l'invention, un réfrigérateur passif du genre ci- dessus défini comprend de plus, à l'intérieur du réflecteur, un volume à surface latérale réflective, axisymétrique, généralement de révolution, dont la section suivant un plan passant par l'axe a une forme ogivale , d'un côté s'étendant jusqu'au second radiateur et de l'autre côté ne dépassant pas un emplacement au delà duquel il intercepterait des rayons dirigés vers le pare soleil. La surface latérale du volume doit être faiblement émissive. Pour cela on pourra lui donner un revêtement extérieur réflectif, d'or et d'aluminium sous vide par exemple. Suivant un autre aspect de l'invention, un réfrigérateur passif du genre ci- dessus défini comporte un réflecteur qui présente une surface concave dont la demi section suivant un plan passant par l'axe se rapproche d'une portion d'ellipse ayant un foyer placé à proximité du bord opposé du second radiateur et l' autre foyer placé à proximité du bord du pare soleil de façon que tout rayon issu de la surface du pare soleil se réfléchissant sur le réflecteur aboutisse au dessus du second radiateur. Par "se rapproche d'une portion d'ellipse" il faut entendre que la section peut être une courbe s'écartant de quelques pour cent de l'ellipse dans la dite portion, par exemple être un arc du cercle osculateur au centre de la portion ou même une série de segments de droite remplissant la même condition de quelques pour cent. L'extrémité du volume du coté de l'ouverture sera en général tronquée par une surface sensiblement plane et orthogonale à l'axe, portant un revêtement fortement émissif, à faible absorption solaire, par exemple en peinture blanche. Lorsque l'on utilise à la fois une forme concave du réflecteur et un volume central, la courbure du réflecteur interne sera légèrement inférieure à celle de l'ogive. La cavité peut être utilisée pour loger de nombreux types d'objets ou mécanismes devant travailler à proximité du radiateur froid qui doivent être maintenus à basse température, soit en vue de leur fonctionnement soit pour éviter de perturber thermiquement l'objet ou les objets portés par le second radiateur. A titre d'exemples on peut citer - un instrument de mesure ou capteur s'ajoutant à celui ou ceux portés par le second radiateur, - un mécanisme de calibration, ou une roue portant des filtres optiques , - une électronique nécessitant soit une température de fonctionnement réduire, soit de la placer à une faible distance du radiateur, - une machine cryogénique permettant d'obtenir un troisième étage froid à une température inférieure à la température du second radiateur, - un dispositif spécifique aux essais en environnement sous vide thermique qui peut être retiré avant intégration dans un satellite. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1, déjà mentionnée, est une vue en coupe d'un réfrigérateur passif de type connu ; - la figure 2, similaire à la figure 1, montre un mode particulier de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est un schéma destiné à montrer l'effet du réflecteur à section en forme d'arc d'ellipse ; - la figure 4 donne, pour un exemple particulier, des courbes de variation de divers paramètres en fonction de la courbure du second réflecteur, pour une forme donnée du volume, - les figures 5 et 6 montrent deux utilisations possibles du volume. La figure 2, où les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, montre un réfrigérateur qui se différencie de celui de la figure 1 notamment par la présence d'un volume central et la forme du réflecteur. Un volume axisymétrique 24, généralement de révolution, dont la section suivant un plan passant par l'axe a une forme ogivale , et qui sera par la suite appelé ogive, est prévu à l'intérieur du réflecteur . Il s'étend, vers le bas sur les figures, jusqu'au second radiateur 18 qui a cette fois une forme convergeant vers l'extrémité ouverte (vers le haut sur la figure) et non plus plate. La forme conique 7 du radiateur du second étage permet de compenser partiellement la perte de surface centrale au niveau de l'ogive. Vers le haut l'ogive est limitée par un cône virtuel 36 définissant le premier radiateur. Les diamètres inférieur, central, et supérieur de l'ogive sont définis en vue de l'optimisation globale du réfrigérateur, à partir de considérations qui seront exposées plus loin. La surface radiale externe de l'ogive 24 est traitée de façon à la rendre réfléchissante, de la même façon que le réflecteur, par exemple par dépôt d'or sous vide, afin de minimiser les couplages radiatifs avec le second radiateur 18. La surface supérieure externe faisant face à l'espace froid est plate dans le cas illustré. Elle est couverte d'un revêtement émissif du même type que les surfaces radiatives des étages intermédiaires (peinture blanche par exemple). L'ogive est connectée mécaniquement avec le réflecteur 22 par un tripode dans le cas illustré. Elle est donc à une température intermédiaire (typiquement de l'ordre de 150 K si le radiateur froid est à 100 K). On constituera généralement le tripode en matériau peu conducteur, limitant les fuites thermiques, lorsque l'ogive contient une charge qui dissipe de la chaleur et qu'on cherchera à évacuer par rayonnement de la surface supérieure. On pourra le constituer en matériau conducteur (aluminium par exemple) lorsque la charge ne dissipe pas de chaleur et doit être refroidie à une température proche de celle du réflecteur. La géométrie de l'ogive, en particulier sa courbure, est déterminée pour que le flux parasite du pare soleil sur le second étage (direct et diffus) soit minimum. Si la géométrie initiale du réflecteur interne est telle que le flux réfléchi est nul, il est possible de déterminer une géométrie d'ogive donnant (approximativement) le même résultat. La charge thermique globale du second étage (second radiateur et éléments qui lui sont liés) est augmentée du fait de l'augmentation du couplage radiatif avec le réflecteur interne et l'ogive ; cette charge reste cependant faible grâce au revêtement peu émissif de l'ogive et à sa température relativement faible, le flux parasite étant proportionnel à la puissance quatre de la température absolue. Le couplage vers l'espace froid est très peu affecté par la présence de l'ogive car les rayons émis par le réflecteur sont réfléchis par le réflecteur et l'ogive vers l'espace, en quasi totalité. Une optimisation combinée de la géométrie de l'ogive et de celle du réflecteur permet d'améliorer la performance globale du radiateur permet d'arriver à des performances globales élevées. En particulier il est avantageux que le réflecteur ait une surface concave dont la section dans un plan passant par l'axe se rapproche d'une portion d'ellipse. Dans le cas où le second radiateur est plan, un critère de sélection de forme est indiqué en figure 3 pour ce qui est de la position des foyers F et F: tout rayon issu de la surface du pare soleil , situé dans le plan de la figure et se réfléchissant sur le réflecteur, aboutit au dessus du foyer F' et est donc rejeté à l'extérieur du radiateur. En pratique, pour tenir compte des réflexions intervenant hors du plan une marge de sécurité est prévue. Si le second radiateur est tronconique, comme indiqué sur la figure 2, la forme optimale du réflecteur est légèrement modifiée pour répondre à la même condition de rejet à l'extérieur. On peut par ailleurs découper le premier radiateur en deux ou trois zones radiatives distinctes, de conicité différente pour améliorer les performances de refroidissement. Le principe de construction de l'ogive consiste à déterminer la géométrie permettant de rejeter le flux parasite du pare soleil tout en maximisant le facteur de vue du radiateur du second étage vers l'espace froid. II n'existe pas de règle de construction directement applicable permettant d'obtenir la configuration optimale: la géométrie est déterminée par modélisation thermique de l'ensemble radiateur, et dépend des dimensions de l'ogive. Mais des principes généraux apparaissent lorsque l'on observe l'effet d'une variation de la courbure du réflecteur, à géométrie donnée de l'ogive. La figure 4 montre, pour un exemple particulier, l'effet de la variation de la courbure moyenne e/L du réflecteur sur: - le flux solaire diffus (courbe en traits plein, graduation de gauche), - le flux IR du réflecteur interne et ogive (courbe en tirets, graduation de gauche), - la température de l'étage froid (courbe en traits mixtes, graduation de droite) Ces indications permettent, de façon expérimentale, de déterminer sans difficultés un optimum à partir des caractéristiques imposées par des raisons constructives et d'encombrement. La température minimum est obtenue, dans le cas de la figure pour une courbure de 11 %. Mais d'autres facteurs entrent en jeu et notamment le volume et la masse de l'ogive doivent être minimisés dans la mesure compatible avec le résultat recherché et notamment les exigences sur la température à l'intérieur de l'ogive. Un compromis sera nécessaire mais dans tous les cas: - le revêtement radial de la face latérale de l'ogive doit être faiblement émissif, - le revêtement supérieur doit être fortement émissif, avec une faible absorption solaire, de type peinture blanche par exemple. - La courbure du réflecteur interne est légèrement inférieure à celle de l'ogive; elle est déterminée à partir de calculs thermiques. Dans le cas de la figure 5 l'ogive est utilisée pour loger une optique 40 formant une image du plan focal, déjà existant dans le second étage froid, à l'autre extrémité de la cavité. Le second plan focal 42 est régulé autour de 150 K. Ce concept peut être utilisé pour des détecteurs travaillant dans le proche infra rouge et qui ne nécessitent pas une très basse température de fonctionnement. Dans le cas de la figure 6, le volume en forme d'ogive est utilisée pour loger un organe de mesure dont le détecteur 44 est situé dans le plan focal froid : le faisceau incident provenant du plan focal froid est collimaté par une optique 46 sur un élément régulé à environ 150 K; le faisceau retourne selon le même trajet sur le détecteur qui fonctionne vers 100 K, c'est-à-dire à température beaucoup plus basse. Cette combinaison permet à la fois de limiter l'encombrement global et la complexité du plan focal de l'instrument et de réduire le signal d'obscurité grâce à la température réduite des optiques. On peut ajouter dans ce cas, à un détecteur infra rouge existant, un spectromètre infra rouge sans modification de la configuration initiale, excepté le réfrigérateur lui même. REVENDICATIONS 1. Réfrigérateur passif, ayant une enveloppe portant l'objet sur une face d'extrémité et ouverte à l'autre extrémité, l'enveloppe ayant, à partir de ladite autre extrémité : un pare-soleil évasé vers l'extérieur à face interne réfléchissante; un premier étage radiateur présentant une surface annulaire radiative; et un réflecteur convergeant vers le bas et dont la surface interne a une forme destinée à soustraire un second étage radiateur, relié à l'objet, au rayonnement provenant du pare-soleil, caractérisé en ce que le réfrigérateur comprend de plus, à l'intérieur du réflecteur, un volume à surface latérale réflective, axisymétrique, généralement de révolution, dont la section suivant un plan passant par l'axe a une forme ogivale, d'une part s'étendant jusqu'au second radiateur et d'autre part ne dépassant pas un emplacement au delà duquel il intercepterait des rayons dirigés vers le pare soleil. 2. Réfrigérateur passif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface latérale du volume est faiblement émissive. 3. Réfrigérateur passif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface porte un revêtement extérieur d'or et/ou d'aluminium sous vide. 4. Réfrigérateur passif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le réflecteur présente une surface concave dont la demi section suivant un plan passant par l'axe se rapproche d'une portion d'ellipse ayant un foyer placé à proximité du bord opposé du second radiateur et l' autre foyer de placé à proximité du bord du pare soleil de façon que tout rayon issu de la surface du pare soleil se réfléchissant sur le réflecteur aboutisse au dessus du second radiateur. 5. Réfrigérateur passif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le second radiateur a une forme convergeant vers l'extrémité ouverte du réfrigérateur. 6. Réfrigérateur passif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réflecteur présente une surface concave dont la demi section suivant un plan passant par l'axe se rapproche d'une portion d'ellipse.