DE3707320C2 - - Google Patents

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    • H01L31/024Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung und Einstellung ei­ ner konstanten Betriebstemperatur mindestens eines Sensors, insbesondere eines Infrarot-Strahlungsdetektors, wobei der mindestens eine Sensor auf einer Wärmeübertragungsplatte angeordnet und thermisch leitend mit einem Kühlaggregat verbunden ist.The invention relates to a device for cooling and setting egg ner constant operating temperature of at least one sensor, in particular an infrared radiation detector, the at least one sensor arranged on a heat transfer plate and thermally conductive with a cooling unit is connected.

In der Luft- und Raumfahrt sowie für militärische Anwendungen sind In­ frarot-Strahlungsdetektoren gebräuchlich, deren Betriebstemperatur zum Teil erheblich unterhalb von 150 K liegt und die daher ein Kühlag­ gregat bzw. einen Thermostaten benötigen. Hierzu sind beispielsweise Joule-Thomson Kühler gebräuchlich, die einen sogenannten Kühlfinger auf­ weisen, auf dessen Spitze der eigentliche Sensor, der aus mehreren Sen­ sorelementen bestehen kann, gut wärmeleitend angeordnet ist. Eine derar­ tige Einrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 33 14 576 bekannt. Ein besonderes Problem bei Infrarot-Strahlungsdetektoren stellt die starke Temperatur­ abhängigkeit dar, so daß die Kühlaggregate im allgemeinen eine aufwendi­ ge Temperaturregelung beinhalten.In aerospace and for military applications are in infrared radiation detectors in use, their operating temperature in some cases considerably below 150 K and is therefore a cooling day gregat or a thermostat. This includes, for example Joule-Thomson coolers in use, which have a so-called cooling finger point, on the tip of the actual sensor, which consists of several Sen sorelemente can exist, is arranged well thermally conductive. A derar term device is known for example from DE-OS 33 14 576. A A particular problem with infrared radiation detectors is the high temperature dependency, so that the cooling units are generally a complex include temperature control.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Kühlung und zur Einstellung einer konstanten Betriebstemperatur mindestens eines Sensors, insbesondere eines Infrarot-Strahlungsdetektors zu schaffen, welche eine hohe Temperaturkonstanz aufweist und im einfachsten Fall sogar ohne spe­ zielle Temperaturregelung für das Kühlaggregat auskommt und welche zu­ sätzlich eine weitgehend vibrationsfreie Kühlung des Sensors ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine nach den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 ausgebildete Einrichtung gelöst.The object of the present invention is a device for cooling and to set a constant operating temperature of at least one sensor, in particular to provide an infrared radiation detector, which a has high temperature stability and in the simplest case even without spe temperature control for the cooling unit and what to do additionally allows largely vibration-free cooling of the sensor. This task is carried out according to the characteristic features of Pa Tent claims 1 trained device solved.

Die Erfindung macht von der bekannten Eigenschaft von Stoffen oder Stoffgemisch Gebrauch, die im Phasenübergang eine relativ hohe latente Wärme aufweisen und somit in der Lage sind, eine erhebliche Wärmemenge ohne Temperaturerhöhung aufzunehmen. Ein entsprechendes Verfahren zur Temperaturstabilisierung von Instrumenten ist aus der US-PS 38 63 707 bekannt, dessen Arbeitstemperatur jedoch durch die Wahl des Stoffes vorgegeben und dann nicht mehr variabel ist. The invention makes of the known property of fabrics or Substance mixture use that has a relatively high latent in the phase transition Have heat and are therefore able to produce a significant amount of heat without recording temperature increase. A corresponding procedure for Temperature stabilization of instruments is from the US-PS 38 63 707 known, the working temperature, however, by the choice of the substance and is then no longer variable.  

Die erfindungsgemäß zwischen dem Kühlaggregat und der den Sensor tragenden Wärmeübertragungsplatte angeordnete Thermostatkammer ermöglicht sowohl eine Feinanpassung der Arbeitstempe­ ratur der Thermostatkammer als auch eine Schwingungsisolierung des Sen­ sors vom Kühlaggregat, was zusammen das Auflösungsvermögen des Sensors erheblich erhöht.According to the invention arranged between the cooling unit and the heat transfer plate carrying the sensor Thermostat chamber enables both fine adjustment of the working temperature temperature of the thermostat chamber as well as vibration isolation of the sen sors of the cooling unit, which together is the resolution of the sensor significantly increased.

Bei Kurzzeiteinsätzen des Sensors, z. B. bei Flugkör­ persensoren, reicht es aus, die Masse des Arbeitsmediums in der Thermostatkammer so groß zu wählen, daß bei Ende der Mission die volle Phasenumkehr von fest auf flüssig noch nicht erfolgt ist. Bei Langzeiteinsätzen kann die Wärmebelastung empirisch ermittelt und parasitären Wärmeströ­ men eine Zusatzheizung überlagert werden, wobei mit Temperaturensensoren das Über- bzw. Unterschreiten vorbestimmter Temperaturen gemessen und die Zusatzheizung entsprechend geregelt wird.For short-term use of the sensor, e.g. B. in missile persensors, it is sufficient to increase the mass of the working medium in the thermostat chamber choose that at the end of the mission the full phase reversal from fixed to fluid has not yet occurred. With long-term use can the thermal load is determined empirically and parasitic heat flow an additional heater can be superimposed, with temperature sensors the exceeding or falling below predetermined temperatures is measured and the auxiliary heating is regulated accordingly.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles be­ schrieben:The invention is based on one in the Figure be partially schematically illustrated embodiment wrote:

Auf einer aus thermisch gut leitendem Material bestehenden Wärmeübertragungsplatte 1 ist zentral ein Infrarot-Strahlungsde­ tektor 2 angeordnet und mit der Wärmeübertragungsplatte 1 thermisch gut leitend verbun­ den. Am Umfang der Wärmeübertragungsplatte 1 ist ein Justierring 3 befestigt, dessen pla­ ne Stirnfläche gegen Justierelemente 4 anliegt; auf diese Weise ist der Infrarot- Strahlungsdetektor 2 bezüglich einer nicht dargestellten Optik genau justierbar.On an existing thermally conductive material heat transfer plate 1 , an infrared radiation detector 2 is arranged centrally and with the heat transfer plate 1 thermally conductive verbun. On the circumference of the heat transfer plate 1 , an adjusting ring 3 is fixed, the pla ne end face rests against adjusting elements 4 ; In this way, the infrared radiation detector 2 can be precisely adjusted with respect to an optic (not shown).

Die Wärmeübertragungsplatte 1 stellt gleichzeitig eine Wandung einer Thermostatkammer 5 dar, in der sich ein Arbeitsmedium 8 befindet.The heat transfer plate 1 also represents a wall of a thermostat chamber 5 in which a working medium 8 is located.

Das Arbeitsmedium 8 ist dem entsprechenden Typ des Infrarot-Strahlungsdetek­ tors 2 angepaßt, und zwar derart, daß es einen Phasenübergang von fest auf flüssig bei der Temperatur aufweist, die als Betriebstemperatur für den Infrarot- Strahlungsdetektor 2 vorgesehen ist. So beträgt der Schmelzpunkt von Mo­ nosilan T S=88,5 K, Krypton T S=117 K und von Xenon T S=162 K.The working medium 8 is adapted to the corresponding type of infrared radiation detector 2 , in such a way that it has a phase transition from solid to liquid at the temperature which is provided as the operating temperature for the infrared radiation detector 2 . The melting point of monosilane T S = 88.5 K, krypton T S = 117 K and xenon T S = 162 K.

Als Arbeitsmedium können selbstverständlich auch Zwei- und Mehrphasenge­ mische verwendet werden, deren eutektischer Punkt bei der Betriebstempe­ ratur des Infrarot-Strahlungsdetektors liegt.Of course, two-phase and multi-phase can also be used as the working medium mixes are used, whose eutectic point at the operating temperature temperature of the infrared radiation detector.

Die Unterseite der Thermostatkammer 5 wird durch eine ebenfalls gut wärmeleitende Platte 6 gebildet, die mit der Wärmeübertragungsplatte 1 über einen Faltenbalg 7 verbunden ist. Zur besseren Wärme­ übertragung von der Wärmeübertragungsplatte 1 auf die Platte 6 ist der Innenraum der Thermostatkammer 5 zusätzlich noch mit Metall- insbes. Kupferwolle ausgefüllt. Die Ther­ mostatkammer 5 ist über ringförmige Metallitzen 10 thermisch gut lei­ tend, jedoch schwingungsisoliert, mit einer Adapterplatte 11 verbunden, die auf dem Kühlfinger 12 eines an sich bekannten Kühlaggregats 13 me­ chanisch und thermisch angekoppelt sitzt. Zur Vermeidung von Wärmever­ lusten wird die Adapterplatte 11 von einer Keramikplatte 14 gehalten, die ihrerseits mit einem Gehäuse 15 verbunden ist.The underside of the thermostatic chamber 5 is formed by a plate 6 which is also a good heat conductor and which is connected to the heat transfer plate 1 via a bellows 7 . For better heat transfer from the heat transfer plate 1 to the plate 6 , the interior of the thermostatic chamber 5 is additionally filled with metal, in particular copper wool. The Ther mostatkammer 5 is thermally well lei tend via annular metal strands 10, but vibrationally isolated, connected to an adapter plate 11, sitting on the cold finger 12 of a per se known refrigerating unit 13 me mechanically and thermally coupled. To avoid heat losses, the adapter plate 11 is held by a ceramic plate 14 , which in turn is connected to a housing 15 .

Die Thermostatkammer 5 sowie die der Wärmeübertragung und Schwingungs­ dämpfung dienenden Litzen 10 befinden sich innerhalb einer Hüllkammer 16, deren äußere Wandung 18 als Faltenbalg ausgebildet ist, der einer­ seits mit dem Gehäuse 15 und andererseits mit dem Justierring 3 gasdicht ver­ bunden ist. Durch diesen Faltbalg 18 wird die Übertragung von Schwingungen vom Gehäuse 15 bzw. vom Kühlaggregat 13 auf den Infrarot-Strahlungs­ detektor 2 vermindert. Die Hüllkammer 16 ist mit einem schlecht wärme­ leitenden Druckgas 17, wie z. B. Heliumgas, gefüllt, dessen Druck über einen Drucksensor 20 gemessen und über eine Regeldruckleitung 19 einge­ stellt wird. Der in der Hüllkammer 16 herrschende Druck überträgt sich auf den herrschenden Druck, so daß, da die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen des Arbeitsmediums 8 druckabhängig sind, in­ nerhalb der Thermostatkammer 5 die jeweilige Betriebstempera­ tur variiert werden kann.The thermostatic chamber 5 and the heat transfer and vibration damping strands 10 are located within an enveloping chamber 16 , the outer wall 18 of which is formed as a bellows, which is connected to the housing 15 and on the other hand to the adjusting ring 3 in a gas-tight manner. Through this bellows 18 , the transmission of vibrations from the housing 15 or from the cooling unit 13 to the infrared radiation detector 2 is reduced. The envelope chamber 16 is with a poorly heat-conducting pressure gas 17 , such as. B. helium gas, the pressure of which is measured by a pressure sensor 20 and is set via a regulating pressure line 19 . The pressure prevailing in the enveloping chamber 16 is transferred to the prevailing pressure, so that since the melting or solidification temperatures of the working medium 8 are pressure-dependent, the respective operating temperature can be varied within the thermostatic chamber 5 .

Zur Verminderung des Einflusses von Wärmestrahlung sind in der Hüllkam­ mer 16 sowie in dem Raum zwischen der Adapterplatte 11 und dem Kühlag­ gregat 13 bzw. Gehäuse 15 Isolationsschichten 21, 22 und 23 angebracht.To reduce the influence of heat radiation are 16 in the Hüllkam mer and in the space between the adapter plate 11 and the cooling unit 13 or housing 15 insulating layers 21 , 22 and 23 attached.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Kühlung und Einstellung einer konstanten Be­ triebstemperatur mindestens eines Sensors, insbesondere eines Infra­ rot-Strahlungsdetektors, wobei der mindestens eine Sensor auf einer Wärmeübertragungsplatte angeordnet und thermisch leitend mit einem Kühl­ aggregat verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der Wärmeübertragungsplatte (1) und dem Kühlaggregat (13) eine an sich bekannte, mit einem Arbeitsmedium (8) gefüllte Thermostatkammer (5) angeordnet ist, wobei das Arbeitsmedium (8) einen Phasenübergang bei der Betriebstemperatur des mindestens einen Sensors (2) und die Thermostatkammer (5) mindestens eine elastische Wandung (7) aufweist, daß die Thermostatkammer (5) von einer Hüllkammer (16) umgeben ist, welche von der Thermostatkammer (5) thermisch und mechanisch weitgehend entkoppelt ist und deren Innendruck einstellbar ist.1. Device for cooling and setting a constant operating temperature Be at least one sensor, in particular an infrared radiation detector, wherein the at least one sensor is arranged on a heat transfer plate and thermally conductively connected to a cooling unit, characterized in that between the heat transfer plate ( 1 ) and the cooling unit ( 13 ), a thermostat chamber ( 5 ) known per se and filled with a working medium ( 8 ) is arranged, the working medium ( 8 ) having a phase transition at the operating temperature of the at least one sensor ( 2 ) and the thermostatic chamber ( 5 ) has at least one elastic wall ( 7 ) that the thermostatic chamber ( 5 ) is surrounded by an envelope chamber ( 16 ) which is largely thermally and mechanically decoupled from the thermostatic chamber ( 5 ) and whose internal pressure is adjustable. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur thermischen Kopplung zwischen dem Kühlaggregat (13) und der Thermo­ statkammer (5) verwendeten Elemente (10) schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweisen.2. Device according to claim 1, characterized in that the elements ( 10 ) used for thermal coupling between the cooling unit ( 13 ) and the thermo statkammer ( 5 ) have vibration-damping properties. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium (8) ein Edelgas ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the working medium ( 8 ) is a noble gas. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium (8) Monosilan ist.4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the working medium ( 8 ) is monosilane. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Arbeitsmedium (8) ein Zwei- oder Mehrphasengemisch ist. 5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the working medium ( 8 ) is a two- or multi-phase mixture. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Thermostatkammer (5) zusätzlich mit einer Metallwol­ le, insbesondere mit Kupferwolle, ausgefüllt ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermostatic chamber ( 5 ) is additionally filled with a metal wool le, in particular with copper wool. 7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (10) zur thermischen Kopplung zwischen dem Kühlaggregat (13) und der Thermostatkammer (5) Metallbänder oder Metallgeflechtbänder sind.7. Device according to claim 2, characterized in that the elements ( 10 ) for thermal coupling between the cooling unit ( 13 ) and the thermostatic chamber ( 5 ) are metal strips or metal braid strips. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkammer (16) ein Druckgas, insbesondere Helium, mit geringer Wär­ meleitung aufweist.8. Device according to claim 1, characterized in that the envelope chamber ( 16 ) has a compressed gas, in particular helium, with low heat conduction. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hüllkammer (16) mindestens eine elastische Wandung (18) aufweist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the envelope chamber ( 16 ) has at least one elastic wall ( 18 ).
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