FR2733306A1

FR2733306A1 - Miniature rapid cooling device esp. for I.R. detector

Info

Publication number: FR2733306A1
Application number: FR9504823A
Authority: FR
Inventors: Patrick Curlier
Original assignee: Cryotechnologies SA
Current assignee: Cryotechnologies SA
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 1996-10-25
Anticipated expiration: 2015-04-21
Also published as: FR2733306B1

Abstract

A cooling device has: (a) a closed chamber (50) contg. a liq. of atmos. pressure boiling point equal to the desired cooling temp. and having a wall (22) with an exterior surface for contacting an object to be cooled; and (b) an arrangement (60) for instantaneously opening the chamber to the atmos. when cooling is desired. Pref. the liq. is a hydrocarbon (esp. C3H6, C3H8 or C4H10) which is gaseous at atmos. pressure and which has a b.pt. 180-250 K.

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT MINIATURE TRES RAPIDE
L'invention conceme les refroidisseurs miniatures permettant d'abaisser très rapidement de plusieurs dizaines de degrés la température d'un objet qui nécessite pour son fonctionnement une température largement au dessous de la température ambiante.VERY FAST MINIATURE COOLING DEVICE
The invention relates to miniature coolers making it possible to very quickly lower by several tens of degrees the temperature of an object which requires for its operation a temperature well below ambient temperature.

L'application principalement envisagée ici est le refroidissement d'un détecteur infrarouge, et plus précisément un détecteur embarqué dans une munition dite "intelligente". On comprendra cependant que d'autres applications sont possibles. The application mainly envisaged here is the cooling of an infrared detector, and more precisely a detector on board a so-called "intelligent" munition. It will be understood, however, that other applications are possible.

Les munitions intelligentes sont des munitions lancées ou larguées, c'est-à-dire non propulsées par un moteur propre, mais cependant pourvues de moyens de détection de cible, même sommaires, et de moyens de guidage qui sont utilisés en fin de trajectoire balistique pour orienter la munition vers la cible visée. Intelligent ammunition is ammunition launched or dropped, that is to say not propelled by a clean engine, but nevertheless provided with target detection means, even basic, and guidance means which are used at the end of the ballistic trajectory to direct the ammunition towards the targeted target.

Typiquement, la détection se fait par un détecteur infrarouge qui est une simple cellule capable de détecter la présence d'un corps chaud rayonnant dans une bande de longueurs d'onde de 3 à 5 micromètres. Le détecteur peut aussi comporter quatre cellules (détecteur à quatre quadrants) pour faciliter un asservissement de la munition sur la cible rayonnante. Typically, the detection is done by an infrared detector which is a simple cell capable of detecting the presence of a radiant hot body in a band of wavelengths from 3 to 5 micrometers. The detector can also include four cells (four-quadrant detector) to facilitate the enslavement of the ammunition on the radiating target.

Les détecteurs actuels ne fonctionnent bien que s'ils sont refroidis à des températures de 200 à 250 K environ; parfois même il faut abaisser leur température jusqu'à 80 à 100 K. Current detectors only work well if they are cooled to temperatures of around 200 to 250 K; sometimes even it is necessary to lower their temperature to 80 to 100 K.

Les munitions intelligentes, contrairement à la plupart des missiles propulsés, ont une durée de parcours très brève : quelques dizaines de secondes au maximum (typiquement 20 à 30 secondes). II faut que le détecteur qui sert à la guider soit très rapidement en état d'assurer sa mission. Mais il n'est pratiquement pas envisageable de déclencher le refroidissement avant le lancement de la munition (contrairement au cas des missiles propulsés pour lesquels le refroidissement, généralement par effet Joule-Thomson, est déclenché juste avant le lancement). Intelligent ammunition, unlike most missiles powered, has a very short journey time: a few tens of seconds at most (typically 20 to 30 seconds). It is necessary that the detector which is used to guide it is very quickly able to ensure its mission. However, it is practically not possible to initiate cooling before the launch of the munition (unlike the case of powered missiles for which cooling, generally by Joule-Thomson effect, is initiated just before launch).

On souhaite en pratique un refroidissement en moins d'une seconde après le départ du coup pour assurer le fonctionnement du détecteur dès le début de la trajectoire balistique de la munition. Par ailleurs, on souhaite que le dispositif de refroidissement soit peu coûteux, peu encombrant, et très robuste. In practice, cooling is desired in less than a second after the start of the shot to ensure the functioning of the detector from the start of the ballistic trajectory of the ammunition. Furthermore, it is desired that the cooling device be inexpensive, compact, and very robust.

On a déjà proposé des dispositifs de refroidissement thermoélectrique (à effet Peltier) pour bénéficier d'une simplicité de fonctionnement et d'un coût réduit, mais le temps de refroidissement est trop long. Thermoelectric cooling devices (Peltier effect) have already been proposed to benefit from simplicity of operation and reduced cost, but the cooling time is too long.

Pour atteindre les buts indiqués ci-dessus, I'invention propose un dispositif de refroidissement comportant d'une part une enceinte fermée contenant un liquide ayant une température d'ébullition à pression atmosphérique égale à la température de refroidissement désirée, cette enceinte possédant une paroi dont la surface extérieure peut être mise en contact avec un objet à refroidir, et d'autre part un moyen pour provoquer instantanément l'ouverture de l'enceinte vers l'atmosphère (en principe l'atmosphère libre) au moment où le refroidisssement est désiré. To achieve the goals indicated above, the invention provides a cooling device comprising on the one hand a closed enclosure containing a liquid having a boiling point at atmospheric pressure equal to the desired cooling temperature, this enclosure having a wall the external surface of which can be brought into contact with an object to be cooled, and on the other hand a means for instantaneously opening the enclosure towards the atmosphere (in principle the free atmosphere) at the time when the cooling is longed for.

Le liquide contenu dans l'enceinte doit avoir une pression de vapeur suffisamment faible, à la température maximale de stockage avant utilisation du dispositif de refroidissement, pour pouvoir être confiné sous forme de phase mixte liquide-vapeur dans l'enceinte fermée. The liquid contained in the enclosure must have a sufficiently low vapor pressure, at the maximum storage temperature before use of the cooling device, to be able to be confined in the form of mixed liquid-vapor phase in the closed enclosure.

Les moyens d'ouverture de l'enceinte peuvent être des moyens mécaniques inertiels ou des moyens pyrotechniques : les moyens inertiels sont actionnés par une accélération subie par le dispositif et se prêtent bien notamment aux munitions lancées (obus); les moyens pyrotechniques sont des moyens plus puissants qui doivent être déclenchés au moment désiré. Ils se prêtent mieux que les moyens inertiels au cas des munitions larguées. The opening means of the enclosure can be inertial mechanical means or pyrotechnic means: the inertial means are actuated by an acceleration undergone by the device and are well suited in particular to launched ammunition (shells); the pyrotechnic means are more powerful means which must be triggered at the desired time. They lend themselves better than inertial means in the case of dropped ammunition.

L'ouverture de l'enceinte par ces moyens inertiels ou pyrotechniques peut être réalisée par exemple par percage d'une membrane ou d'une plaque de fermeture de l'enceinte (par exemple une feuille d'acier très mince), ou encore par rupture d'un queusot de fermeture de l'enceinte. The opening of the enclosure by these inertial or pyrotechnic means can be carried out for example by drilling a membrane or a closing plate of the enclosure (for example a very thin sheet of steel), or also by rupture of a closing shutter of the enclosure.

Les liquides qui conviennent bien pour ce dispositif de refroidissement sont des hydrocarbures de formule CXHy, notamment C3H6, C3H8, C4H10. Des fréons sont également utilisables. Leurs températures d'ébullition sont de l'ordre de 200 K à 250 K, ce qui correspond à des températures désirées au moins dans l'application exposée ci-dessus.Leurs pressions de vapeur saturante sont de l'ordre de la centaine de bars, pour des températures de stockage qui vont par exemple de - 50"C à + 80"C. Ces pressions peuvent être admises dans des enceintes fermées par une feuille métallique de 1 à 2 dixièmes de millimètres d'épaisseurs, et de telles feuilles peuvent être percées par une pointe actionnée par des moyens inertiels en présence d'accélérations fortes (plusieurs centaines à plusieurs milliers de g), ou par des moyens pyrotechniques. The liquids which are very suitable for this cooling device are hydrocarbons of formula CXHy, in particular C3H6, C3H8, C4H10. Freons are also usable. Their boiling temperatures are of the order of 200 K to 250 K, which corresponds to desired temperatures at least in the application described above. Their saturation vapor pressures are of the order of a hundred bars , for storage temperatures ranging for example from -50 "C to + 80" C. These pressures can be admitted in enclosures closed by a metal sheet 1 to 2 tenths of a millimeter thick, and such sheets can be pierced by a point actuated by inertial means in the presence of strong accelerations (several hundreds to several thousands of g), or by pyrotechnic means.

Le choix du liquide refroidissant sera conditionné par ces paramètres; en effet, il faut d'une part que la température d'ébullition soit la température de refroidissement désirée, et d'autre part que ce liquide puisse être maintenu en phase mixte liquide vapeur par des parois d'enceinte relativement minces (pouvant être percées si c'est par perçage qu'on réalise l'ouverture de l'enceinte), On notera d'ailleurs qu'il ne serait pas souhaitable d'avoir des parois d'enceinte épaisses car cela conduirait à une masse thermique importante du dispositif, nuisant à la rapidité de mise en température basse de l'objet à refroidir. The choice of coolant will be conditioned by these parameters; indeed, it is necessary on the one hand that the boiling temperature is the desired cooling temperature, and on the other hand that this liquid can be maintained in mixed vapor vapor phase by relatively thin enclosure walls (which can be pierced if it is by drilling that the opening of the enclosure is carried out), It will also be noted that it would not be desirable to have thick enclosure walls because this would lead to a significant thermal mass of the device , affecting the rapid warm-up of the object to be cooled.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue générale d'un ensemble détecteur avec son système de refroidissement;
- la figure 2 représente une vue détaillée du doigt de refroidissement;
- la figure 3 représente une variante de mécanisme de rupture de l'enceinte.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows and which is given with reference to the appended drawings in which:
- Figure 1 shows a general view of a detector assembly with its cooling system;
- Figure 2 shows a detailed view of the cooling finger;
- Figure 3 shows a variant of the enclosure rupture mechanism.

Un montage de détecteur dans une structure de refoidissement est représenté schématiquement à la figure 1. A detector assembly in a cooling structure is shown diagrammatically in FIG. 1.

Le détecteur 10 est en principe constitué par une puce semiconductrice réalisée dans un matériau sensible aux longueurs d'onde de la bande de détection désirée (en général 3 à 5 micromètres). II est fixé, en principe par collage, sur la face avant extérieure 22 d'un doigt de refroidissement 20. The detector 10 is in principle constituted by a semiconductor chip made of a material sensitive to the wavelengths of the desired detection band (in general 3 to 5 micrometers). It is fixed, in principle by gluing, to the outer front face 22 of a cooling finger 20.

Le détecteur 10 et le doigt de refroidissement 20 sont contenus dans un cryostat étanche 30 qui évite les déperditions thermiques entre l'atmosphère ambiante d'une part, le détecteur et le doigt d'autre part. Ce cryostat permet notamment d'éviter la condensation de vapeur d'eau sur le détecteur pendant le refroidissement. The detector 10 and the cooling finger 20 are contained in a sealed cryostat 30 which prevents heat loss between the ambient atmosphere on the one hand, the detector and the finger on the other hand. This cryostat notably makes it possible to avoid condensation of water vapor on the detector during cooling.

Le cryostat 30 est, dans l'exemple représenté, constitué de trois parties : une partie cylindrique 32 entourant la majeure partie du doigt de refroidissement; une partie évasée à l'avant 33, entourant l'extrémité avant du doigt 20 et le détecteur, et une fenêtre 34 placée juste devant le détecteur. La fenêtre laisse passer le rayonnement infrarouge à détecter. Elle peut former un filtre spectral ne laissant passer que la bande de longueurs d'onde désirée, afin d'éviter l'influence des autres longueurs d'onde sur le signal de sortie foumi par le détecteur. The cryostat 30 is, in the example shown, made up of three parts: a cylindrical part 32 surrounding the major part of the cooling finger; a flared part at the front 33, surrounding the front end of the finger 20 and the detector, and a window 34 placed just in front of the detector. The window lets pass the infrared radiation to be detected. It can form a spectral filter allowing only the desired wavelength band to pass, in order to avoid the influence of other wavelengths on the output signal supplied by the detector.

Le doigt de refroidissement est de préférence maintenu dans le cryostat par des entretoises annulaires 36, 38 en matériau isolant thermique. The cooling finger is preferably held in the cryostat by annular spacers 36, 38 made of thermal insulating material.

Le cryostat constitue une enceinte fermée contenant un gaz neutre (de préférence de l'argon, ou de l'azote, à basse pression). Le gaz doit rester gazeux même à la température de refroidissement obtenue par le dispositif. Un queusot de pompage et de remplissage de gaz est schématisé en 40 sur la figure 1. Ce cryostat évite toute condensation pendant le refroidissement; une condensation (de vapeur d'eau) sur le détecteur serait très préjudiciable à son fonctionnement. The cryostat constitutes a closed enclosure containing a neutral gas (preferably argon, or nitrogen, at low pressure). The gas must remain gaseous even at the cooling temperature obtained by the device. A gas and pump filling pipe is shown diagrammatically at 40 in FIG. 1. This cryostat prevents any condensation during cooling; condensation (water vapor) on the detector would be very detrimental to its operation.

On prévoit de plus qu'une partie du doigt de refroidissement débouche à l'extérieur du cryostat. Dans l'exemple représenté, c'est la partie supérieure 24 du doigt 20 qui est à l'extérieur du cryostat. It is further provided that part of the cooling finger opens out of the cryostat. In the example shown, it is the upper part 24 of the finger 20 which is outside the cryostat.

De préférence enfin, un écran froid 26 (porté par conduction thermique à la température de refroidissement du détecteur) entoure le détecteur et évite l'arrivée latérale de rayonnements parasites sur le détecteur. Cet écran est ouvert en son centre, entre la fenêtre 34 et le détecteur 10, et forme une pupille d'entrée pour le rayonnement détecté. Preferably, finally, a cold screen 26 (brought by thermal conduction to the cooling temperature of the detector) surrounds the detector and prevents the lateral arrival of parasitic radiation on the detector. This screen is open at its center, between window 34 and detector 10, and forms an entrance pupil for the detected radiation.

La figure 2 représente un mode de réalisation de la structure générale du doigt de refroidissement selon l'invention. II est généralement constitué
- par une enceinte fermée étanche 50 contenant une phase mixte liquide/gaz d'un gaz à très basse température d'ébullition.FIG. 2 represents an embodiment of the general structure of the cooling finger according to the invention. It is generally made up
- By a sealed sealed enclosure 50 containing a mixed liquid / gas phase of a gas at very low boiling temperature.

dont une partie est fermée de manière étanche et l'autre partie est ouverte,
- et par un mécanisme 60 d'ouverture brusque de l'enceinte 50.one part of which is sealed and the other part of which is open,
- And by a mechanism 60 for abrupt opening of the enclosure 50.

L'enceinte fermée étanche 50 est située à l'intérieur du cryostat et comporte la face avant 22 sur laquelle on colle le détecteur 10 (cf. figure 1). Cette face avant constitue une des parois de l'enceinte. L'ensemble de l'enceinte fermée est situé à l'intérieur du cryostat lorsque le doigt de refroidissement est placé dans le cryostat. The sealed sealed enclosure 50 is located inside the cryostat and comprises the front face 22 on which the detector 10 is bonded (cf. FIG. 1). This front face constitutes one of the walls of the enclosure. The entire closed enclosure is located inside the cryostat when the cooling finger is placed in the cryostat.

Dans l'exemple représenté, le mécanisme d'ouverture brusque 60 permet de perforer une paroi de fermeture de l'enceinte 50. In the example shown, the abrupt opening mechanism 60 makes it possible to perforate a closing wall of the enclosure 50.

Cette paroi 52 peut être constituée par exemple par une membrane d'acier de 1 ou 2 dixièmes de millimètre d'épaisseur. Sur la figure 2, on a représenté en outre dans cette paroi 52 un queusot 54 pour le remplissage de l'enceinte, ce queusot étant fermé de manière étanche après remplissage.This wall 52 can be constituted for example by a steel membrane 1 or 2 tenths of a millimeter thick. In Figure 2, there is also shown in this wall 52 a container 54 for filling the enclosure, this container being closed in a sealed manner after filling.

Lorsque la paroi 52 est perforée, le gaz de l'enceinte se répand à l'extérieur de l'enceinte. La disposition du doigt est telle que le gaz ne se répande pas dans le cryostat mais à l'extérieur du cryostat, à la pression atmosphérique. Pour cela, L'ensemble du doigt de refroidissement est de préférence ouvert à sa partie supérieure 24 (cf. When the wall 52 is perforated, the gas from the enclosure spreads outside the enclosure. The arrangement of the finger is such that the gas does not spread in the cryostat but outside of the cryostat, at atmospheric pressure. For this, the assembly of the cooling finger is preferably open at its upper part 24 (cf.

figure 1), partie qui est située à l'extérieur du cryostat lorsque le doigt est monté dans le cryostat.Figure 1), part which is located outside the cryostat when the finger is mounted in the cryostat.

Par exemple, le doigt de refroidissement 20 comporte, outre l'enceinte fermée 50, une enceinte ouverte 70 dans laquelle est située le mécanisme de perforation 60; cette enceinte ouverte 70 comporte à sa partie supérieure, une ouverture 72 débouchant à l'extérieur du cryostat. L'enceinte fermée 50 et l'enceinte ouverte 70 sont séparées par la paroi de fermeture 52 qui peut être perforée. For example, the cooling finger 20 comprises, in addition to the closed enclosure 50, an open enclosure 70 in which the perforation mechanism 60 is located; this open enclosure 70 has at its upper part, an opening 72 opening to the outside of the cryostat. The closed enclosure 50 and the open enclosure 70 are separated by the closure wall 52 which can be perforated.

Le mécanisme 60 peut être actionné par des forces d'accélération ou par des forces pyrotechniques. Dans l'exemple schématisé à titre d'exemple, c'est un mécanisme inertiel axial. II comporte une masse 62 terminée par une pointe de perforation 64 et maintenue à distance de la paroi 52 par un ressort 66. Lors d'une forte accélération axiale, la masse est déplacée vers la paroi malgré le ressort et perfore la paroi. Au lieu du mécanisme inertiel, un dispositif pyrotechnique pourrait être prévu pour projeter la pointe 64 contre la paroi 52 et perforer ainsi celle-ci. Le dispositif pyrotechnique pourrait lui-même être déclenché par un mécanisme inertiel réagissant à une accélération. The mechanism 60 can be actuated by acceleration forces or by pyrotechnic forces. In the example shown schematically as an example, it is an axial inertial mechanism. It comprises a mass 62 terminated by a perforation point 64 and kept at a distance from the wall 52 by a spring 66. During a strong axial acceleration, the mass is moved towards the wall despite the spring and perforates the wall. Instead of the inertial mechanism, a pyrotechnic device could be provided to project the point 64 against the wall 52 and thus perforate the latter. The pyrotechnic device could itself be triggered by an inertial mechanism reacting to an acceleration.

La paroi de l'enceinte peut être fragilisée d'une manière connue (amincissement, par exemple) à l'endroit où la rupture est désirée. The wall of the enclosure can be weakened in a known manner (thinning, for example) at the place where the rupture is desired.

L'enceinte étanche 50 contient un liquide 56 dont les caractéristiques sont les suivantes : température d'ébullition à la pression atmosphérique située dans la gamme de températures de refroidissement désirée; et pression de vapeur saturante à la température maximale de stockage compatible avec la résistance des parois de l'enceinte étanche 50. The sealed enclosure 50 contains a liquid 56 whose characteristics are as follows: boiling temperature at atmospheric pressure situated in the desired cooling temperature range; and saturated vapor pressure at the maximum storage temperature compatible with the resistance of the walls of the sealed enclosure 50.

Pendant le stockage du dispositif, on considère par exemple que la température ne dépasse pas 50 ou 80 celsius (323 K à 353
K). L'enceinte contient une phase mixte liquide vapeur en équilibre, et il ne faut pas que la pression de vapeur à ces températures déforme l'enceinte ou détruise son étanchéité.During the storage of the device, it is considered for example that the temperature does not exceed 50 or 80 celsius (323 K to 353
K). The enclosure contains a mixed vapor liquid phase in equilibrium, and the vapor pressure at these temperatures must not distort the enclosure or destroy its sealing.

II n'y a pas d'échange d'énergie entre la phase liquide/gaz de l'enceinte et l'extérieur de l'enceinte tant que l'enceinte reste fermée hermétiquement. There is no energy exchange between the liquid / gas phase of the enclosure and the outside of the enclosure as long as the enclosure remains hermetically closed.

Lors de la mise en fonctionnement du dispositif de refroidissement rapide, par exemple lors du largage de la munition,
L'enceinte est mise brusquement à la pression atmosphérique par rupture de la paroi 52, cette rupture mettant en communication
L'enceinte avec la pression extérieure par l'ouverture 72. Il y a alors échange d'énergie entre la phase liquide/gaz et l'extérieur. La pression de vapeur saturante chute brusquement pour s'équilibrer à la pression extérieure (en principe la pression atmosphérique). Le liquide entre immédiatement en ébullition et la chaleur latente disponible dans le liquide se transforme en puissance frigorifique. La température du liquide s'abaisse très rapidement. Comme le liquide est en contact direct avec la paroi 22 portant le détecteur 10, le détecteur est également porté très rapidement à la très basse température d'ébullition du liquide.When the rapid cooling device is put into operation, for example when the munition is dropped,
The enclosure is suddenly brought to atmospheric pressure by rupture of the wall 52, this rupture bringing into communication
The enclosure with the external pressure through the opening 72. There is then an energy exchange between the liquid / gas phase and the outside. The saturation vapor pressure drops suddenly to equilibrate with the external pressure (in principle atmospheric pressure). The liquid immediately boils and the latent heat available in the liquid turns into cooling power. The temperature of the liquid drops very quickly. As the liquid is in direct contact with the wall 22 carrying the detector 10, the detector is also brought very quickly to the very low boiling temperature of the liquid.

Cette mise en température dure le temps de l'évaporation de la totalité de la quantité de liquide contenue dans l'enceinte 56. L'ordre de grandeur de cette quantité est le cm3. Elle peut varier bien entendu en fonction de la masse calorifique à refroidir et de la durée de refroidissement continu désirée. Le diamètre de l'enceinte 50 peut être de l'ordre de 3 à 5 millimètres, ce qui donne une idée du faible encombrement du dispositif de refroidissement selon l'invention. This warm-up lasts for the time of evaporation of the entire quantity of liquid contained in the enclosure 56. The order of magnitude of this quantity is cm3. It can of course vary as a function of the calorific mass to be cooled and the desired duration of continuous cooling. The diameter of the enclosure 50 can be of the order of 3 to 5 millimeters, which gives an idea of the small size of the cooling device according to the invention.

Les liquides qui conviennent bien pour cette fonction sont les hydrocarbures gazeux à la pression atmosphérique. Ce sont notamment des hydrocarbures de formule CxHy, tels que C3H6, C3H8,
C4H10. Des fréons sont également utilisables. Tous ces gaz ont une chaleur latente de vaporisation élevée et se prêtent donc bien à l'usage recherché ici. Les températures d'ébullition sont de l'ordre de 200 K à 250 K. Certains gaz permettent même des températures de refroidissement au dessous de 180 K.The liquids which are well suited for this function are gaseous hydrocarbons at atmospheric pressure. These are in particular hydrocarbons of formula CxHy, such as C3H6, C3H8,
C4H10. Freons are also usable. All these gases have a high latent heat of vaporization and therefore lend themselves well to the use sought here. Boiling temperatures are around 200 K to 250 K. Some gases even allow cooling temperatures below 180 K.

Les durées de mise en température basse obtenues peuvent être inférieures à la seconde, ce qui répond aux objectifs dans le cas de munitions intelligentes. The low warm-up times obtained can be less than a second, which meets the objectives in the case of intelligent ammunition.

A titre d'exemple, on peut utiliser du propylène C3H6, dont la masse volumique est de 613 kg/m3, la chaleur latente de vaporisation 266 Joules/cm3 de liquide, le point d'ébullition 226 K, et la pression de vapeur saturante 49 bars à 800 C. On peut utiliser un réservoir sphérique de 1,3 cm3, avec une paroi de 200 micromètres d'épaisseur, et une masse de 1 gramme. La masse thermique du réservoir est alors de 65 Joule de 70"C à 230 K. La masse thermique du liquide lui-même représente de l'ordre de 30 J de 70"C à 230 K. Le flux de chaleur à l'ébullition se situe entre 10 et 30 watts/cm2 en fonction de l'efficacité d'échange. On peut alors estimer le temps de mise en froid de l'ordre d'une seconde. For example, propylene C3H6 can be used, whose density is 613 kg / m3, the latent heat of vaporization 266 Joules / cm3 of liquid, the boiling point 226 K, and the saturated vapor pressure 49 bars at 800 C. One can use a spherical tank of 1.3 cm3, with a wall of 200 micrometers thick, and a mass of 1 gram. The thermal mass of the tank is then 65 Joule from 70 "C to 230 K. The thermal mass of the liquid itself represents around 30 J from 70" C to 230 K. The heat flow at boiling point is between 10 and 30 watts / cm2 depending on the exchange efficiency. We can then estimate the cooling time on the order of one second.

L'efficacité de la mise en froid repose sur une optimisation des paramètres suivants : maximisation du transfert de chaleur au détecteur, minimisation du transfert de chaleur aux parois du réservoir, inertie thermique minimale du réservoir. The effectiveness of cooling is based on an optimization of the following parameters: maximization of heat transfer to the detector, minimization of heat transfer to the walls of the tank, minimum thermal inertia of the tank.

En dehors du système de déclenchement, le dispositif ne comporte pas de pièces mobiles (contrairement aux refroidisseurs à effet Stirling par exemple). II est donc particulièrement fiable. Sa conception est tout-à-fait compatible avec les contraintes d'accélérations, chocs, vibrations, et environnement climatique, imposées pour les matériels militaires. L'encombrement est très réduit, sans que le coût soit élevé pour autant. Apart from the trigger system, the device does not have any moving parts (unlike Stirling effect coolers for example). It is therefore particularly reliable. Its design is fully compatible with the constraints of acceleration, shock, vibration, and climatic environment, imposed for military equipment. The size is very small, without the cost being high.

La figure 3 (vue de dessus et vue de face) illustre à titre d'exemple un autre mécanisme inertiel permettant de provoquer l'ouverture brusque de l'enceinte 50. Il fonctionne par accélération d'une masse 82 en forme de ciseau ou couteau, permettant de casser un queusot 84 de l'enceinte 50. La masse est normalement retenue par un ressort 86 et une force d'accélération brutale la projette contre le queusot qui se rompt. FIG. 3 (top view and front view) illustrates by way of example another inertial mechanism making it possible to cause the abrupt opening of the enclosure 50. It operates by acceleration of a mass 82 in the form of a chisel or knife , making it possible to break a rod 84 of the enclosure 50. The mass is normally retained by a spring 86 and a brutal acceleration force projects it against the rod which breaks.

II peut être important de pouvoir tester le fonctionnement du détecteur avant l'utilisation. Mais le détecteur ne peut être testé que s'il est refroidi et il ne faut évidemment pas mettre en oeuvre le refroidisseur (qui ne peut fonctionner qu'une seule fois). Par conséquent, on prévoit qu'une partie du refroidisseur (autre que la fenêtre placée devant le détecteur) communique avec l'extérieur de la munition lorsque le refroidisseur avec son détecteur est monté dans la munition, et on prévoit la possibilité de refroidir le détecteur par conduction à partir de l'extérieur. It may be important to be able to test the operation of the detector before use. However, the detector can only be tested if it has cooled down and obviously the cooler must not be used (which can only work once). Consequently, it is provided that a part of the cooler (other than the window placed in front of the detector) communicates with the outside of the ammunition when the cooler with its detector is mounted in the ammunition, and provision is made for the possibility of cooling the detector. by conduction from the outside.

La partie communiquant avec l'extérieur de la munition est de préférence la partie 24 déjà mentionnée, avec son ouverture 72. The part communicating with the outside of the ammunition is preferably the part 24 already mentioned, with its opening 72.

Pour le test, on mettra cette partie 24 en contact avec le doigt froid d'un refroidisseur extérieur (refroidisseur à effet Stirling de préférence). Le froid se propagera jusqu'au liquide 56 par conduction thermique, notamment à travers les parois du refroidisseur 20 qui peuvent être plus épaisses et plus conductrices au dessus de l'enceinte étanche 50 qu'autour de l'enceinte. On pourrait améliorer la conduction thermique depuis l'extérieur du système jusqu'au réservoir par un système de caloduc. Ce système de caloduc peut d'ailleurs utiliser le gaz de refroidissement de l'enceinte 50, comme agent caloporteur.For the test, this part 24 will be brought into contact with the cold finger of an external cooler (preferably a Stirling effect cooler). The cold will propagate to the liquid 56 by thermal conduction, in particular through the walls of the cooler 20 which may be thicker and more conductive above the sealed enclosure 50 than around the enclosure. Thermal conduction could be improved from outside the system to the tank by a heat pipe system. This heat pipe system can also use the cooling gas of the enclosure 50, as a heat transfer agent.

Dans tout ce qui précède, on a dit que l'enceinte 50 pouvait être ouverte brutalement vers l'atmosphère, le liquide contenu dans l'enceinte ayant, à la presion atmosphérique, une température d'ébullition correspondant à la température de refroidissement désirée. In all of the foregoing, it has been said that the enclosure 50 could be suddenly opened towards the atmosphere, the liquid contained in the enclosure having, at atmospheric pressure, a boiling temperature corresponding to the desired cooling temperature.

On comprendra que le terme atmosphère doit être compris dans un sens large : il faut que la zone dans laquelle se détend le gaz qui s'évapore de l'enceinte ait une pression suffisamment basse pendant le fonctionnement pour que la température d'ébullition à cette pression soit bien la température de refroidissement désirée. Dans ce sens,
I'atmosphère extérieure à l'enceinte pourrait elle même être une atmosphère confinée, à une pression qui n'est pas forcément celle de l'atmosphère terrestre libre. D'autre part, dans le cas où le liquide s'évapore dans l'atmosphère libre, on comprendra que la pression atmosphérique considérée est celle qui règne à l'endroit où se situe le dispositif, c'est-à-dire pas forcément au sol. It will be understood that the term atmosphere must be understood in a broad sense: the zone in which the gas which evaporates from the enclosure must have a sufficiently low pressure during operation so that the boiling temperature at this pressure is the desired cooling temperature. In this direction,
The atmosphere outside the enclosure could itself be a confined atmosphere, at a pressure which is not necessarily that of the free terrestrial atmosphere. On the other hand, in the case where the liquid evaporates in the free atmosphere, it will be understood that the atmospheric pressure considered is that which prevails at the place where the device is located, that is to say not necessarily on the ground.

Claims

1. Cooling device comprising on the one hand a closed enclosure (50) containing a liquid having a boiling point at atmospheric pressure equal to the desired cooling temperature, this enclosure having a wall (22) whose outer surface can be brought into contact with an object to be cooled (10), and on the other hand a means (60) for instantaneously opening the enclosure towards the atmosphere at the moment when cooling is desired.

2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the means for opening the enclosure are inertial mechanical means (62, 64, 66).

3. Cooling device according to claim 2, characterized in that the means for opening the enclosure are pyrotechnic means.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the opening means comprise a point (64) for piercing a wall (52) of the enclosure.

5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means for opening the enclosure comprise means (82) for breaking a shank (84) for closing the enclosure.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid contained in the enclosure is a gaseous hydrocarbon at atmospheric pressure.

7. Device according to claim 6, characterized in that the liquid is a gaseous hydrocarbon whose boiling temperature is from 180 K to 250 K approximately.

8. Device according to claim 6, characterized in that the liquid is a hydrocarbon of formula CxHy, in particular C3H6,

C3H8, C4H10