EP0322028A1 - Dispositif de sur-refroidissement temporaire d'un détecteur refroidi - Google Patents

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cooler
super
cooling
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Henri Société Civile S.P.I.D. Bourcier
Marc Société Civile S.P.I.D. Pochard
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
SODERN SA
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect

Definitions

  • the invention relates to a device for temporarily supercooling a detector cooled in steady state in an enclosure by means of a first cooler.
  • a device of this kind finds an application for example in the sights of stars embarked on vehicles and whose duration of use is of the order of a few seconds.
  • These star finders are equipped with CCD detectors operating in the visible range and cooled to low temperature (0 ° to 5 ° C) in a thermostatically controlled enclosure.
  • CCD components are made up of semiconductor materials, the parameters of which degrade when the detector is struck by a bombardment of particles. It follows that at constant temperature the dark current increases. As this current decreases with temperature, it is necessary to cool further when it has increased in order to restore its value in the absence of nuclear aggression and thus maintain the detector's initial sensitivity.
  • the object of the invention is to provide a device ensuring this super-cooling during the duration of use of the detector without bringing disturbance to the thermal equilibrium of the assembly.
  • the invention is remarkable in that a second cooler is temporarily put into action to produce the required super-cooling without causing heat exchange with the outside, this result being acquired by the fact that the thermal energy dissipated by said second cooler is absorbed by the transition from the solid state to the state liquid of a phase change material, chosen as a function of the steady-state temperature and disposed between said first and second coolers, so that the total energy balance is zero and the external environment is not thermally disturbed as long that the duration of the super-cooling does not exceed the duration of absorption of said phase change material.
  • the single figure shows a schematic section of the super-cooling device of the invention.
  • the detector 1 is placed inside a housing whose lateral surface 2 is made of a material with low thermal conductivity and whose bottom 3 is a support in contact with the external environment.
  • the part of the housing facing the detector is pierced with an opening closed by a transparent window 4.
  • the detector is for example a matrix CCD.
  • a first cooler 5 is brought into contact with the support 3 while a second cooler 6 is brought into contact with the detector.
  • These two coolers operate for example with the Peltier effect.
  • An enclosure 7 containing a phase change material (solid ⁇ liquid) is interposed between the coolers 5 and 6.
  • This material is chosen as a function of the permanent operating temperature: water for a temperature of 0 ° C., tetradecane for a temperature of 5 ° C.
  • the enclosure contains for example 0.5 g of water.
  • the first cooler 5 provides steady cooling of the detector 1, cooler 6 (out of service) and enclosure 7 assembly containing the phase change material.
  • the second Peltier effect cooler 6 is switched on. service.
  • the thermal energy dissipated by this cooler is absorbed by the transition from the solid state to the liquid state of the phase change material without disturbing the external environment provided that the duration of the super-cooling does not exceed the duration of absorption capacity of the material.
  • Such a device can ensure a super-cooling of 20 ° C for a period of approximately 20 seconds.
  • One of the advantages of this device is to be able to operate as many times as desired, because after the supercooling the part of the material in the liquid state returns to the solid state and the system is ready to operate again .

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Abstract

Dispositif de sur-refroidissement temporaire d'un détecteur (1) refroidi en régime permanent dans une enceinte au moyen d'un premier refroidisseur (5). Selon l'invention, un second refroidisseur (6) est mis temporairement en action pour produire le sur-refroidissement requis sans entraîner d'échange thermique avec l'extérieur. A cet effet, l'énergie thermique dissipée par le refroidisseur (6) est absorbée par le passage solide → liquide d'un matériau à changement de phase (7) (eau ou tétradécane) disposé entre lesdits premier et second refroidisseurs. Application à la visée d'étoiles.

Description

  • L'invention concerne un dispositif de sur-refroi­dissement temporaire d'un détecteur refroidi en régime perma­nent dans une enceinte au moyen d'un premier refroidisseur.
  • Un dispositif de ce genre trouve une application par exemple dans les viseurs d'étoiles embarqués sur des en­gins et dont la durée d'utilisation est de l'ordre de quelques secondes.
  • Ces viseurs d'étoiles sont équipés de détecteurs CCD fonctionnant dans le visible et refroidis à faible tempé­rature (0° à 5°C) dans une enceinte thermostatée.
  • Pendant le temps de visée, ces détecteurs subissent des agressions de type nucléaire. Les composants CCD sont constitués par des matériaux semiconducteurs dont les paramè­tres se dégradent lorsque le détecteur est frappé par un bom­bardement de particules. Il en résulte qu'à température cons­tante le courant d'obscurité grandit. Comme ce courant diminue avec la température, il est nécessaire de refroidir davantage lorsqu'il a augmenté afin de rétablir sa valeur en l'absence d'agression nucléaire et de conserver ainsi au détecteur sa sensibilité initiale.
  • Le but de l'invention est de fournir un dispositif assurant ce sur-refroidissement pendant la durée d'utilisation du détecteur sans apporter de perturbation à l'équilibre ther­mique de l'ensemble.
  • A cet effet l'invention est remarquable en ce qu'un second refroidisseur est mis temporairement en action pour produire le sur-refroidissement requis sans entraîner d'échan­ge thermique avec l'extérieur, ce résultat étant acquis par le fait que l'énergie thermique dissipée par ledit second refroi­disseur est absorbée par le passage de l'état solide à l'état liquide d'un matériau à changement de phase, choisi en fonction de la température de régime permanent et disposé entre lesdits premier et second refroidisseurs, de sorte que le bilan énergétique total est nul et que l'environnement extérieur n'est pas thermiquement perturbé tant que la durée du sur-refroidissement n'excède pas la durée d'absorption dudit matériau à changement de phase.
  • La description suivante en regard du dessin annexé, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
  • La figure unique représente une coupe schématique du dispositif de sur-refroidissement de l'invention.
  • Le détecteur 1 est placé à l'intérieur d'un boîtier dont la surface latérale 2 est constituée d'un matériau à fai­ble conductibilité thermique et dont le fond 3 est un support en contact avec l'environnement extérieur.
  • La partie du boîtier en vis à vis du détecteur est percée d'une ouverture obturée par une fenêtre transparente 4.
  • Le détecteur est par exemple un CCD matriciel.
  • Un premier refroidisseur 5 est mis en contact avec le support 3 alors qu'un second refroidisseur 6 est mis en contact avec le détecteur. Ces deux refroidisseurs fonction­nent par exemple à l'effet Peltier.
  • Une enceinte 7 contenant un matériau à changement de phase (solide → liquide) est intercalé entre les refroidis­seurs 5 et 6. Ce matériau est choisi en fonction de la tempé­rature permanente de fonctionnement : l'eau pour une tempéra­ture de 0°C, le tétradécane pour une température de 5°C. L'en­ceinte contient par exemple 0,5 g d''eau.
  • Le premier refroidisseur 5 assure en régime perma­nent le refroidissement de l'ensemble détecteur 1, refroidis­seur 6 (hors service) et enceinte 7 contenant le matériau à changement de phase.
  • Lorsqu'un sur-refroidissement du détecteur est né­cessaire, le second refroidisseur à effet Peltier 6 est mis en service. L'énergie thermique dissipée par ce refroidisseur est absorbée par le passage de l'état solide à l'état liquide du matériau à changement de phase sans perturbation de l'environ­nement extérieur à condition que la durée du sur-refroidisse­ment n'excède pas la durée de capacité d'absorption du maté­riau.
  • Un tel dispositif peut assurer un sur-refroidisse­ment de 20°C pendant une durée d'environ 20 secondes.
  • Un des avantages de ce dispositif est de pouvoir fonctionner autant de fois qu'on le désire, car après le sur- refroidissement la partie de matière à l'état liquide repasse à l'état solide et le système est prêt à fonctionner une nou­velle fois.
  • Comme applications types on peut citer :
    - le viseur d'étoiles à matrice CCD intégré au coeur d'une centrale inertielle à coeur isolé.
    Pour cette application, la visée se fait en une seule fois et ne dure qu'une dizaine de secondes avec une contrainte qui assure la stabilité des échanges thermiques coeur-vi­seur, raison pour laquelle le dispositif proposé est tout à fait adapté.
    - Le Viseur d'étoiles à matrice CCD intégré sur satellite ne faisant des mesures de recalage stellaire que quelques fois par orbite. Le sur-refroidisseur ne serait mis en action que si, au fil des années, le courant d'obscurité augmentait trop.

Claims (3)

1. Dispositif de sur-refroidissement temporaire d'un détecteur refroidi en régime permanent dans une enceinte au moyen d'un premier refroidisseur, caractérisé en ce qu'un se­cond refroidisseur est mis temporairement en action pour pro­duire le sur-refroidissement requis sans entraîner d'échange thermique avec l'extérieur, ce résultat étant acquis par le fait que l'énergie thermique dissipée par ledit second refroi­disseur est absorbée par le passage de l'état solide à l'état liquide d'un matériau à changement de phase, choisi en fonction de la température de régime permanent et disposé entre lesdits premier et second refroidisseurs, de sorte que le bilan énergétique total est nul et que l'environnement extérieur n'est pas thermiquement perturbé tant que la durée du sur-refroidissement n'excède pas la durée d'absorption dudit matériau à changement de phase.
2. Dispositif de sur-refroidissement selon la revendi­cation 1, caractérisé en ce que lesdits refroidisseurs sont à effet Peltier.
3. Dispositif de sur-refroidissement selon la revendi­cation 1, caractérisé en ce que ledit matériau à changement de phase est de l'eau si la température de régime permanent est de 0°C et du tétradécane si la température de régime permanent est de 5°C.
EP88202855A 1987-12-18 1988-12-13 Dispositif de sur-refroidissement temporaire d'un détecteur refroidi Expired - Lifetime EP0322028B1 (fr)

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