DE1601132C3

DE1601132C3 - Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Strahlungsdetektoren

Info

Publication number: DE1601132C3
Application number: DE1601132A
Authority: DE
Inventors: Joseph S. Goleta Calif. Buller (V.St.A.)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1966-07-25
Filing date: 1967-07-14
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE1601132A1; GB1149145A; DE1601132B2; US3422886A; JPS4613905B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Strahlungsdetektoren, mit einem Träger für einen auf niedriger Temperatur zu haltenden Gegenstand.

Bekanntlich finden Strahlungsdetektoren in großem Umfange Anwendung beim Abtasten der Erdoberfläche von einem außerhalb der Erde auf einer Urnlaufbahn liegenden Punkt aus, beispielsweise bei den gewöhnlichen Wettersatelliten, die zur Zeit in Gebrauch sind.

Die meisten verwendeten Detektoren müssen, um wirksam arbeiten zu können, auf einer Temperatur im tiefen Temperaturbereich gehalten werden, beispielsweise unterhalb 77° K. Üblicherweise bedienen sich die bekannten Kühlvorrichtungen für die Detektoren eines gespeicherten Kühlmittels oder mechanisch arbeitender Kühlmaschinen, um die Detektortemperatur zu steuern. Ein gespeichertes Kühlmittel hat den Nachteil verhältnismäßig kurzer Lebensdauer, da es in festem 5 oder flüssigem Zustand gespeichert wird und bei der Absorption der Wärme nach und nach sublimiert oder verdampft, also in den gasförmigen Zustand übergeht und im umgebenden Raum verbraucht wird. Der Detektor kann bei Anwendung solcher gespeicherter

ίο Kühlmittel auf der verlangten Temperatur somit nur so lange gehalten werden, wie noch Kühlmittel vorhanden ist. Mechanische Kühlmaschinen können natürlich kontinuierliche Kühlung über einen ausgedehnten Zeitbereich liefern. Sie sind jedoch in der Anschaffung teuer und verhältnismäßig schwer und setzen damit den nutzbaren Anteil der Masse, die eine geeignete Startvorrichtung in den die Erde umgebenden Raum bis auf eine Umlaufbahn zu schießen vermag, wesentlich herab. Außerdem benötigen mechanische Kühlmaschinen eine verhältnismäßig große Eingangsleistung. Hinzu kommt bei mechanischen Kühlmaschinen die Gefahr des Ausfalls im Betrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungskühler zu schaffen, der einen zu kühlenden Gegenstand, z. B. einen Strahlungsdetektor, wirksam auf seiner optimalen Betriebstemperatur zu halten vermag, und der sich durch kleine Abmessungen, relativ geringes Gewicht und ununterbrochene Verwendbarkeit, also praktisch unbegrenzte Lebensdauer auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit dem Träger ein auf den Dunkelraum gerichteter Körper mit einer schwarze Strahlung aussendenden Oberfläche verbunden und eine Vielzahl von Schirmen vorgesehen ist, die den Träger unter. Wärmeisolierung umschließen, und von denen jeder mit einer schwarze Strahlung aussendenden Oberfläche versehen ist.

Eine derartige, einen Strahlungsdetektor enthaltende Kühlvorrichtung kann beispielsweise an der dunklen Seite eines Satelliten angebracht werden. Der Strahlungskühler entzieht dem Detektor Energie und gibt sie an den Dunkelraum ab. Dadurch wird der Detektor auf einer Temperatur gehalten, bei der er am wirksamsten arbeitet

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Mittelschnitt durch eine erste

So Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 einen vertikalen Mittelschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 3 einen vertikalen Mittelschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung sei daran erinnert, daß der Weltraum an sich im wesentlichen ein absolutes Vakuum darstellt, das keinerlei Materie enthält, daß also dort Bedingungen herrschen, bei denen sich die Temperatur auf 0° K, dem absoluten Nullpunkt, befindet. Im Weltraum ist jedoch als Folge der von Himmelskörpern, also Sternen u. dgl., ausgesendeten Strahlung Energie vorhanden. Man hat geschätzt, daß infolge dieser emittierten Strahlung eine Temperatur zwischen 4° K und 20⁰K im Dunkelraum herrscht.

Um einen geeigneten Strahlungsdetektor auf seiner gewünschten Betriebstemperatur zu halten, beispielsweise auf 40° K, sieht die Erfindung eine Kühlvorrich-

tung vor, die einen Körper enthält, der eine schwarze Strahlung aussendende Fläche aufweist, welche zum Dunkelraum hin gerichtet ist oder in diesem Sinne fokussiert wird und sich im übrigen in thermisch leitender Verbindung mit dem eigentlichen Detektor befindet. Außerdem sieht die Erfindung eine gestaffelte Anordnung von Abschirmungen vor, die gegen die die Strahlung aussendende Fläche und die damit verbundenen Teile isoliert, also thermisch nicht leitend verbunden ist. Soweit in dieser Beschreibung der Ausdruck »leitend« verwendet wird, bezieht er sich auf den Wärmeübergang zwischen Körpern infolge körperlicher Berührung zwischen ihnen entweder direkt oder über ein überbrückendes Glied. Dabei kann der sehr geringe Wärmeübergang durch Wärmeleitung, der durch die nachstehend beschriebenen Verbindungen und Aufhängungen mittels Drähten oder Litzen stattfindet, vernachlässigt werden. Jede Abschirmung ist außerdem gegen jede andere Abschirmung in bezug auf Wärmeübergang durch Wärmeleitung isoliert. Jede Abschirmung ist überdies mit einer schwarze Strahlung aussendenden Fläche versehen und gleichfalls auf den Dunkelraum fokussiert. Dadurch wird erreicht, daß jede Stufe progressiv auf einer niedriger liegenden tiefen Temperatur gehalten wird als die vorhergehende Stufe und somit der Übergang von Strahlungsenergie auf dem Detektor und die mit ihm verbundenen Teile auf ein Minimum gebracht wird.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt. Im Aufbau besteht die Kühlvorrichtung aus einer ersten Stufe zur Abgabe schwarzer Strahlung, bei der ein Körper 10 in Form einer Platte, deren Außenfläche durch Aufbringen geeigneten Materials geschwärzt ist, den gewünschten Effekt der schwarzen Strahlung bewirkt. Zentrisch zu dem Körper 10 ist ein rohrförmiger Träger 12 angeordnet, der sich von dem Körper 10 nach unten erstreckt, und an dessen unterem Ende ein Strahlungsdetektor 14 befestigt ist. Der Detektor 14, der Träger 12 und der Körper 10 stehen daher in thermisch leitender Verbindung. In der bevorzugten Ausführung hat der Körper 10 Kreisform. Doch sind auch andere geometrische Formen verwendbar.

Ein die erste Abschirmstufe bildender Strahlungsschirm 15 wird von einer Platte 16 mit einer kreisring- förmigen, nach oben vorragenden Wand 18 und einem Ringflansch 20 gebildet, der sich von der Wand radial nach außen erstreckt. Ein zentrisch zur Platte 16 angeordnetes, abwärts gerichtetes Rohr 22 umschließt den Träger 12 und den Detektor 14 teleskopartig. Es kann wünschenswert sein, das untere Ende des Rohres 22 durch einen Filter 24 zu schließen, dessen Zweck weiter unten erläutert werden wird. Die Außenfläche des Flansches 20 ist ähnlich wie die Platte 10 mit schwärzendem Material überzogen, um die Wirkung der schwarzen Strahlung hervorzurufen.

Eine zweite Absehirmstufe ist allgemein mit 25 bezeichnet und besteht aus einer Platte 26, die wiederum eine nach oben vorragende ringförmige Wand 28 aufweist, an deren Außenkante ein radial vorstehender Flansch 30 ausgebildet ist. Ein Rohr 32 ist zentrisch zur Platte 26 angeordnet und erstreckt sich nach unten, wobei es das Rohr 22 teleskopartig umgibt. Wiederum kann ein Filter 34 vorgesehen werden, um das untere Ende des Rohres 32 zu schließen. Die Außenfläche des Flansches 30 ist ebenso wie diejenige des Flansches 20 geschwärzt.

Das gesamte soweit beschriebene Gebilde kann innerhalb eines Gehäuses 36 angeordnet werden, das aus einer Platte 38 mit nach oben vorragender ringförmiger Wand 40 und einem nach unten ragenden, zentrisch angeordneten Hohlzylinder 42 besteht, welcher das Rohr 32 und mit ihm die darin befindlichen Teile teleskopartig aufnimmt. Das Rohr 42 ist unten durch eine Platte 43 mit einer öffnung 45 geschlossen, welche Strahlung zum Detektor 14 durchläßt. Das Gehäuse 36 ist in nicht näher dargestellter Weise so gestaltet, daß es mechanisch, beispielsweise durch Verschraubungen, mit einem Satelliten oder sonstigen Raumschiff mit dem es zusammenwirken soll, mechanisch verbunden werden kann.

Für den Betrieb sei angenommen, daß die Kühlvorrichtung unter Bedingungen arbeitet, wie sie im Weltraum herrschen, sich also im Vakuum befindet. Infolgedessen sind der Körper 10, der Träger 12, die erste Absehirmstufe 15, die zweite Absehirmstufe 25 und das äußere Gehäuse 36 in bezug auf Wärmeleitung durch die evakuierten Zwischenräume 44, 46 und 48 gegeneinander isoliert. Um die einzelnen Teile der Vorrichtung relativ zueinander in der gezeichneten Lage zu halten, ist eine Vielzahl von tragenden Litzen 50 vorgesehen, die den Zylinder 42, das Rohr 32 und den Träger 12 miteinander verbinden. Diese Litzen legen die genannten Teile in Richtung der Hauptachse der Vorrichtung zueinander fest. Außerdem sind Litzen 52 vorgesehen, die das Gehäuse 36 mit dem Rohr 32, die Wand 28 mit dem Rohr 22 und die Wand 18 mit dem Träger 12 verbinden. Die Litzen 52 verspannen die Teile der Vorrichtung somit in einer Ebene gegeneinander, die rechtwinklig zur Hauptachse der Kühlvorrichtung liegt.

Es liegt auf der Hand, daß der Detektor 14 relativ zu den Filtern 24 und 34 und zur öffnung 44 in der Platte 43 genau montiert sein muß. Genauigkeit ist in Hinblick auf die kleinen Abmessungen der hier in Rede stehenden Vorrichtungen und in Hinblick auf die Notwendigkeit unveränderlicher genauer Ausrichtung unerläßlich, vor allem in Hinblick auf die mit den Abschirmungen erzielten gestaffelten Temperaturen. In dieser Beziehung wurde gefunden, daß die Litzen 50 und 52 am besten aus dünnen Drähten aus rostfreiem Stahl bestehen, die einerseits die nötige Steifigkeit und Festigkeit liefern, um die genaue Ausrichtung aufrechtzuerhalten, und andererseits den Wärmeübergang durch Leitung zwischen den einzelnen Teilen auf einem Minimum halten.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung können die Litzen 50 und 52, die zur gegenseitigen Aufhängung oder Verspannung in der beschriebenen Weise dienen, aus dünnen Drähten aus rostfreiem Stahl bestehen, die sich als genügend steif und fest erwiesen haben und ein Minimum an Wärmeübergang durch Leitung ergeben.

Es wurde gefunden, daß der Träger 12 vorzugsweise aus Kupfer besteht, um als guter Wärmeleiter Wärmeenergie vom Detektor 14 auf dem Körper 10 überzuleiten. Die den Träger 12 konzentrisch umschließenden Strahlungsschirme und das Gehäuse 36 können gleichfalls aus Kupfer bestehen. Jedoch können sich auch andere Werkstoffe als zweckmäßig erweisen. Außerdem wird das gesamte beschriebene Gebilde vorzugsweise mit Gold plattiert und hochglänzend poliert, um eine Strahlung reflektierende Oberfläche zu schaffen und damit den Übergang von Wärmeenergie durch Strahlung zwischen den einzelnen Teilen des Gebildes auf ein Minimum zu bringen.

Erweist es sich als erwünscht, daß der Detektor 14

Strahlung in einem relativ engen Spektrum oder Wellenband betriebsmäßig empfängt, dann können die bereits erwähnten Filter 24 und 34 vorgesehen werden, um alle außerhalb dieses Spektrums oder Wellenbandes liegende Strahlung auszuschließen. Die Tatsache, daß die Filter 24 und 34 gekühlt sind, liefert den weiteren Vorteil, daß unerwünschte Energie dann gehindert wird, den Detektor zu erreichen. Energie, welche die Wärmebelastung der ersten Stufe der schwarzen Abstrahlung unnötig erhöhen würde, wobei zu bedenken ist, daß diese erste Stufe in bezug auf die Abstrahlung den übrigen Stufen unterlegen ist. Die Kühlung der Filter der ersten und zweiten Stufe reduziert die Wärmeenergie, die von den Filtern selbst vermöge ihrer Eigentemperatur emittiert wird. Diese Abkühlung wird im Bereich der auf höherer Temperatur liegenden Stufen leichter erreicht, weil diese Stufen vermöge ihres höheren Temperaturniveaus bei gegebener räumlicher Abmessung mehr Energie an den Raum abstrahlen als eine auf niedriger Temperatur liegende Stufe. · ao

Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß die Vorrichtung unter Weltraumbedingungen von einem geeigneten Raumschiff getragen wird, beispielsweise einem synchron umlaufenden Satelliten. In diesem Fall wird sie so montiert, daß die Oberflächen des Körpers 10 und der Ringflansche 20, 30 auf den Dunkelraum hin gerichtet, also gegen das Auftreffen direkten Sonnenlichtes optisch abgeschirmt sind. Es wurde erwähnt, daß der Dunkelraum nach geltenden Annahmen eine Temperatur im Bereich zwischen 4 und 30⁰K hat. Die auf den Satelliten treffende Strahlung wird vom Gehäuse 36 aufgenommen und von diesem auf die zweite Stufe 25 abgestrahlt, die von der Strahlungsfläche 30 und diese Fläche tragenden Teilen der Vorrichtung besteht. Die schwarze Strahlung aussehende Fläche 30 gibt bereits einen wesentlichen Teil der aufgenommenen Energie an den Dunkelraum ab und nimmt daher schon nach einer kurzen Aufenthaltsdauer im Weltraum eine Temperatur zu, die unterhalb der umgebenden Temperatur liegt, beispielsweise 180⁰K. Ein Teil der Strahlung, die von der Stufe 25 empfangen worden ist, wird weiter abgestrahlt und von der Stufe 15 aufgefangen. Die gleichfalls auf den Dunkelraum ausgerichtete Fläche 20 gibt dann einen wesentlichen Teil dieser aufgenommenen Energie an den Dunkelraum ab und nimmt daher, zugleich mit den sie tragenden Teilen, eine noch niedrige Temperatur an, beispielsweise 89° K. Die mittlere, relativ große, schwarze Strahlung abgebende Fläche des Körpers 10 und der mit diesem Körper verbundene Träger 12 empfangen daher von der Stufe 25 nur noch verhältnismäßig wenig Strahlung, und die Energie, die der Körper 10 an den Dunkelraum abstrahlt, stellt daher in erster Linie Energie dar, die von der Tätigkeit des Detektors 14 herrührt. Dabei handelt es sich um die vom Detektor beim Abtasten des überstrichenen Bereiches durch Strahlung aufgenommene Energie und um Wärme, die durch den den Detektor durchfließenden elektrischen Strom erzeugt wird.

Die soeben erwähnte Energie wird durch Wärmeleitung über dem Träger 12 an den Körper 10 abgegeben, dessen Außenfläche diese Energie in den Dunkelraum abstrahlt und dadurch den Detektor und die mit ihm verbundenen Teile in ihrer Temperatur auf den optimalen Wert herunterdrückt, beispielsweise 40° K.

F i g. 2 zeigt eine Abwandlung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Funktionell ist diese Ausführungsform mit derjenigen nach F i g. 1 im wesentlichen identisch. Eine Abweichung besteht darin, daß an Stelle des zylindrischen Aufbaus ein kegeliger Aufbau gewählt worden ist Damit entfällt die Notwendigkeit, tragende Drähte in einer Ebene vorzusehen, die rechtwinklig zur Hauptachse der Vorrichtung liegt. Kurz beschrieben besteht die Anordnung nach F i g. 2 aus einem konischen Gehäuse 51, das mit dem Satelliten verbunden wird. Eine zweite konische Abstrahlungsstufe 53 ist mit einer schwarze Strahlung abgebenden Fläche 54 versehen. Die zweite Stufe 53 umschließt "eine erste Stufe in Form eines kegeligen Gebildes 56, das mit einer schwarze Strahlung abgebenden Fläche 58 versehen ist. Zentrisch zu dem so weit beschriebenen Gebilde ist eine erste, zur Abgabe schwarzer Strahlung geeignete Stufe vorgesehen, in welcher eine Fläche 60 in wärmeleitender Verbindung mit ihrer ringförmigen Außenkante an einem wärmeleitenden Kegel 62 angeschlossen ist, der seinerseits an seinem unteren Ende den Detektor 64 trägt. Gekühlte Filter 66,68 und eine mit öffnungen versehene Abschlußplatte 71 können ebenso wie in F i g. 1 vorgesehen werden. Drähte

69 verbinden und verspannen die einzelnen Stufen und isolieren sie thermisch gegeneinander.

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Verkörperung der Erfindung. Diese Ausführung ist im wesentlichen identisch mit derjenigen nach Fig. 1. Eine Abweichung besteht darin, daß die tragenden Drähte 50,52 von F i g. 1 beseitigt und die Zwischenräume zwischen den einzelnen Stufen mit hochisolierendem Stoff

70 gefüllt sind, der die einzelnen Stufen in bezug auf Wärmeleitung voneinander trennt und zusätzliche Reflexionskapazität liefert, um Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen den einzelnen Stufen zu verhindern. Jede Art von hochisolierendem Material kann verwendet werden. Als Beispiel sei eine Vielzahl von Schichten aus Glaswolle, abwechselnd mit Schichten aus Aluminiumfolie, oder auch eine Vielzahl von Schichten aus Mylar mit Außenflächen aus Aluminiumüberzügen erwähnt.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung einen neuen Aufbau liefert, der die Wirkung hat, den Strahlungsdetektor auf seiner vorgeschriebenen niedrigen umgebenden Tieftemperatur zu halten, während der Detektor und die Kühlvorrichtung an einem geeigneten Raumschiff, beispielsweise einem auf einer Umlaufbahn befindlichen Satelliten angebracht ist

Die Erfindung liefert den besonderen Vorteil, daß sie keine äußere Energiequelle benötigt, unbegrenzte Lebensdauer hat und im Aufbau klein und leicht ausfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Strahlungsdetektoren, mit einem Träger für einen auf niedriger Temperatur zu haltenden Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Träger (12, 62) ein auf den Dunkelraum gerichteter Körper (10) mit einer schwarze Strahlung aussendenden Oberfläche verbunden und eine Vielzahl von Schirmen (22, 32; 53, 56) vorgesehen ist, die den Träger (12) unter Wärmeisolierung umschließen, und von denen jeder mit einer schwarze Strahlung aussendenden Oberfläche versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirme (22, 32; 53, 56) in ein Gehäuse (36; 51) eingeschlossen sind.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeisolierung Zwischenlagen (70) aus stark wärmeisolierendem Stoff xwischen den Schirmen (22, 32) und dem Träger und seinem die schwarze Strahlung aussendenden Körper angeordnet sind (F i g. 3).

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirme (22, 32; 53, 56) und das Gehäuse (36; 51) durch dünne, gespannte Drähte oder Litzen (50, 52; 69) mechanisch verbunden sind.

5. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Schirm (22; 53) den Träger (12;- 62) und seine schwarze Strahlungsfläche (10; 60) teleskopartig aufnimmt und umschließt und die übrigen Schirme (32; 56) den ersten Schirm (22) teleskopartig aufnehmen und umschließen.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu kühlenden Gegenstand (Detektor 14; 64) ein in thermischer Verbindung mit den Schirmen (22, 32; 53, 56) stehender Wellenfilter (24,34; 66,68) vorgeschaltet ist.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche ! bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägers (12; 62) und der Schirme (22, 32; 53, 56) mit Ausnahme der die schwarze Strahlung aussendenden Flächen zwecks Reflexion von auftreffender Strahlung hochglanzpoliert sind.

8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirme (53, 56) kegelig gestaltet sind (F i g. 2).