DE19520318A1 - Sensoranordnung mit einem durch einen Joule-Thomson Kühler gekühlten Sensor und Elektronikbauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einem durch einen Joule-Thomson Kühler gekühlten Sensor und Elektronikbauteilen.

Solche Sensoren sind insbesondere infrarotempfindliche Sensoren für Sucher, die ein infrarot strahlendes Ziel verfolgen. Solche Sucher werden in Suchköpfen von zielsuchenden Flugkörpern benutzt.

Die EP-A-0 604 790 beschreibt eine Sensoranordnung mit einem gekühlten Sensor. Der Sensor ist im Vakuumraum eines Dewar-Gefäßes angeordnet. Das Dewar-Gefäß weist einen inneren und einen äußeren Gehäuseteil auf. Die Gehäuseteile sind beide topfförmig ausgebildet. Der äußere Gehäuseteil greift um den inneren Gehäuseteil. Die beiden Gehäuseteile begrenzen den Vakuumraum des Dewar-Gefäßes. Der "Boden" des inneren Gehäuseteils trägt auf seiner vakuumseitigen Außenseite den Sensor.

Der innere Gehäuseteil umschließt in seinem Innenraum einen Joule-Thomson-Kühler. Ein solcher Joule-Thomson-Kühler enthält einen Wärmetauscher in Form einer gewendelten Vorlaufleitung und eine Entspannungsdüse am Ende der Vorlaufleitung im Bereich des "Bodens" des Dewar-Gefäßes. Ein Kühlgas unter Druck wird durch die Vorlaufleitung geleitet und tritt an der Entspannungsdüse aus. Dabei wird das Kühlgas entspannt und abgekühlt. Das entspannte und abgekühlte Kühlgas fließt dann durch den Wärmetauscher zum offenen Ende des Dewar-Gefäßes hin. Dabei kühlt es das vorlaufende, unter Druck stehende Kühlgas im Gegenstrom. Das so vorgekühlte Kühlgas wird dann durch die Entspannung beim Austritt aus der Düse weiter abgekühlt. Dadurch lassen sich schließlich sehr tiefe Temperaturen erreichen. Das Kühlgas kühlt dabei den Sensor entsprechend. Nach durchlaufen des Wärmetauschers tritt es am "warmen", offenen Ende des Dewar-Gefäßes aus.

Bei der EP-A-0 604 790 weist das Dewar-Gefäß einen flanschartigen Sockel auf. Der Sockel besteht aus einem ersten Sockelteil, der an dem äußeren Gehäuseteil angeformt ist, und einen zweiten Sockelteil, der an dem inneren Gehäuseteil angeformt ist. Eine ringscheibenförmige Platine ist abdichtend zwischen erstem und zweitem Sockelteil gehalten und begrenzt einen Vakuumraum. Auf der Platine sind Elektronikbauteile, darunter integrierte Schaltungen, montiert. Die Anordnung von Elektronikbauteilen unmittelbar an dem "warmen" Ende des Dewar-Gefäßes gestattet eine sensornahe Signalverarbeitung der Sensorsignale und verringert die Anfälligkeit gegen elektromagnetische Störungen.

Solche Elektronikbauteile entwickeln jedoch Wärme. Diese Wärme kann bei üblichen Suchköpfen schlecht abgeleitet werden. Die Wärmeableitung müßte über die Kugellager von Kardanrahmen erfolgen, in denen der Infrarotdetektor eines Suchers am Flugkörper üblicherweise gelagert ist, was lange Wege für die abzuleitende Wärme und einen schlechten Wärmeübergang bedingt. Außerdem wird der Sucher selber im Betrieb heiß, so daß keine Wärmeabfuhr durch Abstrahlung erfolgt. Das kann verschiedene nachteilige Folgen haben:

Die Zuverlässigkeit der Bauteile wird verringert. Es besteht die Gefahr einer Überhitzung von Bauteilen. Dadurch kann ein Systemausfall des Suchers eintreten.

Weiterhin beeinträchtigt die Wärmeentwicklung am Eingang des Joule-Thomson-Kühlers die Funktion des Joule-Thomson- Kühlers. Der Gasstrom, der für die Kühlung des Sensors auf eine vorgegebene Temperatur erforderlich ist, erhöht sich dadurch. Das begrenzt die Flugzeit, wenn das Kühlgas unter Druck von einer Druckflasche geliefert wird. Im Extremfall kann die temperaturabhängige Leistungsgrenze des Joule- Thomson-Kühlers überschritten werden. Auch das führt zu einer Verschlechterung der Kühlleistung und ggf. zum Systemausfall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabfuhr von Elektronikbauteilen bei gekühlten Sensoren der eingangs genannten Art zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit den Elektronikbauteilen Wärmetauschermittel in wärmeleitendem Kontakt sind, die von dem aus dem Joule- Thomson-Kühler austretenden expandierten Kühlgas durchflossen sind.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das rückströmende, expandierte Kühlgas auch nach dem Durchgang durch den Wärmetauscher des Joule-Thomson-Kühlers und Vorkühlung des unter Druck zugeführten vor laufenden Kühlgases noch kühl genug ist, um bei geeigneter Ausbildung der an den Elektronikbauteilen vorgesehenen Wärmetauschermittel eine nennenswerte Wärmemenge von den Elektronikbauteilen aufzunehmen und abzuführen. Es wird dann das expandierte, "verbrauchte" Kühlgas, das sonst ungenutzt in die Atmosphäre austreten würde, noch ausgenutzt, um die Elektronikbauteile zu kühlen. Dabei ist vorteilhaft, daß die für die Kühlung des Sensors erforderliche Kühlgasmenge umso größer wird, je höher die Temperatur des Flugkörpers ist. Eine entsprechend größere Menge von "verbrauchtem" Kühlgas steht dann auch für die Kühlung der Elektronikbauteile zur Verfügung.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Sensor in Form eines IR-Detektors mit einem Joule-Thomson-Kühler, einem Dewar-Gefäß mit flanschartigem Sockel und gekühlten Elektronikbauteilen.

Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung und zeigt den Aufbau eines Wärmetauschers zum Kühlen von Elektronikbauteilen.

In Fig. 1 ist mit 10 ein topfförmiges Dewar-Gefäß bezeichnet. Das Dewar-Gefäß 10 weist einen Außenteil 12 und einen Innenteil 14 auf. Der Außenteil 12 greift mit Abstand um den Innenteil 14. Dazwischen ist ein Vakuumraum 16 gebildet. Ein Sensor 18 in Form eines IR-Detektors sitzt innerhalb des Vakuumraumes 16 auf der vakuumseitigen Oberfläche eines "Bodens" 20 des topfförmigen Innenteils 14. An dem Boden 20 ist weiterhin eine Kaltblende 22 angebracht. Die Kaltblende 22 wird mit dem Sensor 18 gekühlt und schirmt den Sensor 18 gegen IR-Strahlung ab, die aus der Umgebung, z. B. von warmen Wandungsteilen des Flugkörpers, direkt auf den Sensor 18 fällt. Der Außenteil 12 bildet im Bereich des "Bodens" ein Fenster 24.

Der Außenteil 12 ist mit einem glockenförmigen Randteil 26 in einem Durchbruch 28 eines Montageflansches 30 abdichtend befestigt. An einer Schulter 32 des Durchbruchs 28 liegt eine Ringscheibe 34 an. Die Ringscheibe 34 ist innen an der zylindrischen Mantelfläche des Innenteils 14 abdichtend befestigt. Die Ringscheibe 34 bildet die in Fig. 1 untere Begrenzung des Vakuumraumes 16.

In dem Innenteil 14 und damit in dem Dewar-Gefäß 10 sitzt ein Joule-Thomson-Kühler 36. Der Joule-Thomson-Kühler 36 enthält einen Wärmetauscher 38 mit einem gewendelten Rohr 40 für die Zufuhr von Kühlgas unter Druck. Das Kühlgas wird dem Rohr 40 über eine Kühlgas-Leitung 42 zugeführt. Das Kühlgas tritt am Ende des Rohres 40 direkt gegenüber dem Boden 20 aus einer Entspannungsdüse 44 aus. Bei der Entspannung kühlt sich das Kühlgas ab. Das Kühlgas kann beispielsweise Luft, Stickstoff oder Argon sein. Das entspannte und abgekühlte Kühlgas strömt dann im Gegenstrom von oben nach unten in Fig. 1 durch den Wärmetauscher 38 dem zugeführten, unter Druck stehenden Kühlgas, das von unten nach oben in Fig. 1 fließt, entgegen. Dadurch wird das unter Druck stehende Kühlgas vorgekühlt. Nach der Entspannung des vorgekühlten Kühlgases nimmt dieses eine nochmals erniedrigte Temperatur an. Das setzt sich fort, wobei sehr niedrige Temperaturen erzeugt und z. B. Luft verflüssigt werden kann. Dabei wird auch der Boden 20 mit dem Sensor 18 und der Kaltblende 22 entsprechend abgekühlt.

An dem Montageflansch 30 am "warmen Ende" der Sensoranordnung sitzt eine Leiterplatte 46 mit Elektronikbauteilen 48 und 50, die im Betrieb Dissipationswärme entwickeln. Die Leiterplatte ist durch eine an dem Montageflansch 30 angebrachte Kappe 52 abgedeckt. Die Wärme von den Elektronikbauteilen 48 und 50 kann, wie oben beschrieben, schlecht abgeleitet werden. Dadurch können die ebenfalls geschilderten nachteiligen Wirkungen eintreten.

Aus diesem Grunde sind die Elektronikbauteile 48 und 50 auf Wärmetauschern 54 bzw. 56 angeordnet. Die Wärmetauscher 54 und 56 sind von "verbrauchtem" Kühlgas durchströmt, das aus dem Joule-Thomson-Kühler 36 am warmen Ende austritt und nach dem Stand der Technik in die Atmosphäre austreten würde. Dieses verbrauchte Kühlgas wird hier in einer Kammer 58 aufgefangen und über Leitungen 60 und 62 in die Wärmetauscher 54 bzw. 56 geleitet.

Die Wärmetauscher 54 und 56 sind nach Art von Fig. 2 aufgebaut.

Jeder Wärmetauscher 54 oder 56 besteht aus einer Mehrzahl von dünnen Siliziumplatten 64, 66, 68, 70, 72 und 74. In die Oberflächen der Siliziumplatten 64, 66, 68, 70, 72 und 74 sind jeweils eine Vielzahl von parallelen Kanälen 76 eingearbeitet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Siliziumplatten so aufeinandergelegt und miteinander verbunden, daß die Nuten 76 in jeder der Siliziumplatten 64, 66, 68, 70, 72 und 74 gekreuzt zu den Nuten in den jeweils benachbarten Siliziumplatten verlaufen. Die Nuten 76 in den Siliziumplatten 64, 68 und 72 verlaufen von links nach rechts in Fig. 2. Die Nuten in den dazwischen liegenden Siliziumplatten 66, 70 und 74 verlaufen von vorn nach hinten. Wenn die Siliziumplatten 64, 66, 68, 70, 72 und 74 miteinander verbunden sind, entsteht ein System von zueinander gekreuzten Kanälen zur Erzeugung eines Kreuzstroms. Die Platten 64 . . . 74 können auch so angeordnet werden, daß sie einen Gegenstromwärmetauscher bilden.

Das Kühlgas verläßt den Wärmetauscher des Joule-Thomson- Kühlers mit einer Temperatur, die geringfügig, um 8 bis 10°C niedriger ist als die Umgebungstemperatur. Von den thermischen Eigenschaften her, sind die üblichen Kühlgase Luft, Stickstoff oder Argon nicht sehr gut als Kühlmittel für einen Wärmetauscher geeignet. Sie besitzen nur geringe Dichte, eine begrenzte Wärmekapazität und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Diese schlechten Eigenschaften werden durch die geschickte Auslegung des Wärmetauschers 54 bzw. 56 weitgehend kompensiert.

Zu diesem Zweck muß der Wärmetauscher 54 oder 56 kleine und kompakte Abmessungen, angepaßt an den jeweils zu kühlenden Elektronikbauteil 48 bzw. 50 besitzen. Im Verhältnis zum Wärmetauscher-Volumen muß die Wärmetauscher-Fläche sehr groß sein. Das Material des Wärmetauschers 54 oder 56 muß eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dadurch tritt nur eine geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Elektronikbauteil 48 oder 50 und dem Wärmetauscher 54 bzw. 56 auf. Der Druckverlust des Kühlgases beim Durchströmen des Wärmetauschers 54 oder 56 muß gering sein. Zwischen der Oberfläche des Wärmetauschers 54 oder 56 und dem Kühlgas liegt ein geringer Wärmeübergangs-Koeffizient vor. Durch die große Oberfläche der durchströmten Kanäle ergibt sich eine gute Wärmeübertragung.

Die Abmessungen der Grundflächen der Wärmetauscher 54 und 56 entsprechen ungefähr denen der zu kühlenden Elektronikbauteile 48 bzw. 50. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Wärmetauscher 54 und 56 eine Grundfläche von 12 mm × 25 mm und eine Gesamtdicke von 2 mm. Die einzelnen Siliziumplatten 64, 66, 68, 70, 72 und 74 haben eine Dicke von jeweils 0,1 mm. Die Nuten 76 bzw. Kanäle besitzen einen Querschnitt von 0,07 mm × 0,1 mm.

Die Herstellung der Kanäle erfolgt durch bekannte Verfahren der Mikrosystemtechnik (MST). Das kann durch das LIGA- Verfahren geschehen oder durch anisotropes Ätzen der Siliziumplatten. Silizium hat gute Leitfähigkeit. Die einzelnen Siliziumplatten 64, 66, 68, 70, 72 und 74 können durch Verschweißen oder Kleben miteinander verbunden werden.

Es sind etwa sechzehn Lagen von Siliziumplatten vorgesehen. In jeder Siliziumplatte sind etwa einhundert Nuten 76 bzw. Kanäle gebildet. Jede Nut 76 bzw. jeder Kanal ist 25 mm lang. Die Rippen zwischen den Nuten 76 haben eine Breite von 0,025 mm. Die Gesamtlänge aller Kanäle wird vierzig Meter. Die Wärmetauscher-Fläche ist insgesamt 14 000 mm². Das Wärmetauscher-Volumen ist 800 mm³. Das Verhältnis von Wärmetauscher-Fläche zu Wärmetauscher-Volumen wird damit 17,5 mm^-1. Durch wahlweise Parallel- oder Serienschaltung der Kanäle kann der hydraulische Durchmesser des Wärmetauschers an die Verhältnisse optimal angepaßt werden.

Das Kühlgas ist hochrein, da es schon für den vorgeschalteten Kühlprozeß hochrein eingespeist wird. Dadurch können die Kanäle sehr eng gemacht werden, ohne daß ein Verstopfen der Kanäle zu befürchten ist. Bei höherer Temperatur ist eine höhere Kühlleistung an den Wärmetauschern 54 und 56 erforderlich. Bei höherer Temperatur ist aber auch der Kühlgasstrom höher, der von dem Joule-Thomson-Kühler verlangt wird. Für einen Joule- Thomson-Kühler mit einer Kühlleistung von etwa 400 mW mit Luft von 300 bis 100 bar als Kühlgas bei einer Umgebungstemperatur von 70°C ist der für den Joule-Thomson- Kühler erforderliche Gasstrom so groß, daß damit ein Wärmestrom von etwa 350 bis 650 mW von den gefährdeten Elektronikbauteilen abgeleitet werden kann. Dabei liegt die Temperatur der Elektronikbauteile dann maximal 20°C über der Umgebungstemperatur.

Mit den beschriebenen Wärmetauschern lassen sich relativ große Wärmeübergangszahlen von α = 1.0 kW/m²K bei vergleichsweise geringen Druckverlusten von 100 bis 250 mbar erreichen.

Claims (9)

1. Sensoranordnung mit einem durch einen Joule-Thomson Kühler (36) gekühlten Sensor (18) und Elektronikbauteilen (48, 50), dadurch gekennzeichnet, daß mit den Elektronikbauteilen (48, 50) Wärmetauschermittel (54, 56) in wärmeleitendem Kontakt sind, die von dem aus dem Joule-Thomson-Kühler (36) austretenden expandierten Kühlgas durchflossen sind.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) der Joule-Thomson-Kühler (36) in einem topfförmigen Dewar-Gefäß (10) so angeordnet ist, daß der "Boden" (20) des Dewar-Gefäßes (10) durch expandierendes Kühlgas gekühlt wird, wobei das expandierte Kühlgas im Gegenstrom durch einen Wärmetauscher (38) zum Vorkühlen des unter Druck zugeführten Kühlgases zum offenen Ende des Dewar-Gefäßes (10) fließt,
• (b) der zu kühlende Sensor (18) am "Boden" (20) der topfförmigen Dewar-Gefäßes (10) angeordnet ist,
• (c) am offenen Ende des Dewar-Gefäßes (10) ein Fuß gebildet ist, an dem die Elektronikbauteile (48, 50) sitzen, und
• (d) das zurückströmende, expandierte Kühlgas gesammelt und durch die Wärmetauschermittel (54, 56) geleitet wird.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschermittel miniaturisierte Wärmetauscher (54, 56) aus gut wärmeleitendem Material aufweisen, die durch Mikrosystemtechnik hergestellte feine Kühlkanäle (76) aufweisen.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (54, 56) aus Silizium bestehen.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (54, 56) mit den Kanälen (76) versehene Blöcke sind, deren Abmessungen jeweils ungefähr denen eines zugehörigen zu kühlenden Elektronikbauteils (48, 50) entsprechen.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher jeweils von aufeinandergesetzten Platten (64, 66, 68, 70, 72, 74) mit parallelen Nuten (76) gebildet sind.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (64, 66, 68, 70, 72, 74) so aufeinandergesetzt sind, daß die Nuten (76) benachbarter Platten gekreuzt zueinander verlaufen.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (54, 56) zwischen einem Elektronikbauteil (48, 50) und einer Grundplatte (46) angeordnet sind, auf welcher der Elektronikbauteil (48, 50) montiert ist.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher auf einem Elektronikbauteil angeordnet sind.