JPS63315924A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、赤外線検出器に係り、特にその冷却手段に関
する。

［従来技術およびその問題点］ サーモグラフは、物体表面から放射されている赤外線を
とらえ、物体表面の温度分布を熱画像として定Ｑ的に表
示するもので非接触的に温度計測を行なうことができる
ことから、近年注目されているデバイスである。

ここで赤外線の検出に用いられる赤外線検出器としては
高感度であって応答速度が高いことから、インジウムア
ンチモン（ＩｎＳｂ）、水銀カドミウムテルル（Ｈ９Ｃ
ｄ　Ｔｅ　）等の化合物半導体を薄板状に加工したもの
に電極および反射防止膜を形成した光導電モードの半導
体赤外線検出器が広く用いられている。

ところで、このような半導体赤外線検出器は動作温度が
低いほど感度が高いことが知られており、通常、液体窒
素温度以下の温度で用いられる。

このため、通常は、液体窒素を用いた冷却が行なわれて
いる。

このような従来の赤外線検出器における素子の冷却は、
窒素が蒸発するときに吸収する潜熱によっているため、
液体窒素を補給する必要がある。

このため、長時間にわたって連続して検出を行なわなけ
ればならない場合や液体窒素の補給の困難な僻地では使
用することができないという問題があった。

また、液体窒素の取扱い自体にも注意をはられなければ
ならない上、上方向の検出に際しては、冷却が困■であ
るため、使用できないという問題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、冷却物質
を補給することなく小形で効率良く長時間にわたって連
続運転することのできる赤外線検出器を提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段１ そこで本発明では、赤外線センサの冷却手段を、ある一
定温度までの冷却を行なう蒸気圧縮形冷凍サイクルと、
それ以下の温度領域への冷却を行なう電子冷凍水子とに
よって構成している。

［作用］ 蒸気圧縮形冷凍サイクルは、冷媒液を膨張弁で減圧して
低圧の蒸発器に送り、ここで周囲の熱を吸収して蒸発さ
せ、発生する蒸気を圧縮器に吸入、更にこれを圧縮機に
加える動力によって圧縮し、高温高圧のガスとなし、こ
れを凝縮器に導き、水、大気などに放熱することによっ
て液化さゼ、液溜に受は再び膨張弁に導きサイクル、を
形成するようにしたもので、冷媒液が蒸発器中でその圧
力に対応した湿度で蒸発する際の吸熱作用により、蒸光
器に接する物の温度を低下せしめることができる。

すなわち冷凍サイクルは、仕事を費やして、（ｉ）低温
箇所で熱を吸収し くｉｉ＞これを高温箇所で費やされた仕事に相当する熱
と共に放出する。

すなわち、圧縮器は加えられた動力によって熱をくみあ
げる熱ポンプの働きをするわけであり、低温で吸収する
熱口とこれに要した仕事との比を冷凍サイクルの成績係
数として評価しているが、蒸発Ｊｆ縮形冷凍サイクルは
成績係数が高いという利点を有している。

しかしながら、冷却温度が限られており、２段、３段の
冷油サイクルを通してもせいぜい１２０Ｋから１３０に
程度までの冷却しかできないとされている。

一方、ペルチエ素子、エッチングスハウピン系子等の電
子論２！Ｉ素子は、連続使用に耐え、容易に極低温を形
成することができる反面、成績係数が低いという問題が
あった。

このように、いずれも、赤外線検出器の冷却手段として
は、使用不能であり、液体窒素を用いた冷却方式に頼る
しかないとされていた。

本光明は、このような状況の中でなされたもので、高効
率（成績係数の畠い）の蒸気圧縮形冷凍サイクルで所定
温度まで冷却し更に、制御性良く極低温を得ることので
きる電子冷凍素子によって、所定温度まで冷却するよう
にしているため、小形で、どこでも長時間にわたって連
続して高精度の温度制御が可能となり、信頼性の高い赤
外線検出を行なうことができる。

電子冷凍水子としては、例えば、エッチングスハウゼン
効果を利用したエッチングスハウゼン素子、ペルチェ効
果を利用したベルヂエ木子等が用いられる。

エッチングスハウゼン素子は、金属または半導体に電流
Ｉ×をＸ方向に流し、それと垂直なＺ方向に磁束密度Ｂ
の磁場３ｚをかけ、Ｙ、方向に熱流も電流も流れないい
ようにするとその方向に温度勾配を生じるエッチングス
ハウゼン効果を利用したもので、電気エネルギーの供給
によってのみ、連続的に駆動することができる。

第４図は、エッチングスハウピン素子の動作原理を示す
図である。

まず、電子と正孔が共存する物質にＸ方向に電流ｌｘを
流し、Ｚ方向に１１＠Ｆ３ｚをかけるとローレンツ力に
より、電子と正孔は共にＹ方向に湾曲する。

そして電子と正孔は、対の生成および再結合を繰り返し
ながらＸ方向を伝導し、対を生成する際の活性化エネル
ギーは再結合の際再び放出される。

ところが、電子と正孔は、対生成、再結合を繰り返す間
に、ローレンツ力により活性化エネルギーをＹ方向に運
んでいることになり、Ｙ方向に温度差が生じる。

この温度差を利用して冷却を行なうわけである。

更に、効率を高め、極低温を得るために、第５図に示す
如く、電流の方向が同一となるように直列接続せしめら
れた複数個のエッチングスハウゼン素子を同一のヒート
シンク上に併設してなる素子部を複数段積層するとバに
、前記第１の素子部Ｅ１の各冷却面に対して熱的に接触
するように第２の素子部Ｅ２のヒートシンクを配設する
と共に、第２の素子部のエッチングスハウゼン素子の素
子数は第１の素子部の素子数よりも少なくなるようにし
た多段橋造の電子冷凍装置も提案されており（特願６２
−９１５１９丹）、これを用いることにより、更に効率
良く冷却し得、高精度で信頼性の高い赤外線の検出を行
なうことが可能となる。

ここでＭはマグネットである。

一方、ペルチェ素子は通常Ｐ型半導体とＮ型半導体とを
接合せしめ、接合部に電流を流すと、接合部の電位差に
より、ジュール熱以外の熱が死生ずる現象を利用してお
り、電流方向の選択により、吸熱又は発熱に利用でさる
ものである。

前述のエッチングスハウゼン素子に代えてかかるペルチ
ェ素子によっ工も電流制御によってのみ、制御性良く極
低温を形成することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図は、本発明実施例の赤外線検出器を示す図である
。

この赤外線検出器は、Ｈ！１１　Ｃｄ　Ｔｅ　ｌ板上に
電橋を配設してなる光Ｑ吊型の赤外線検出素子１と、こ
れを所定の極低温に維持すべく該素子に低温側を接触し
てなるエッチングスハウゼン素子２と、このエッチング
スハウゼン素子２の高温側に接触するよう配設せしめら
れた２元蒸気圧縮冷凍すイクル旦とから構成されている
。

前記エッチングスハウゼン素子は第２図に示す如く両端
に電＆Ａ１．Ａ２を配設してなるビスマステルルから構
成されている。

また前記２元蒸気圧縮冷凍サイクル３は、ノコスケート
コンデンサー３１によって熱的に接１．Ｑしめられた第
１および第２の冷凍サイクル３２゜３３から構成されて
いる。

第１の冷凍サイクル３２は、動力エネルギーによって冷
媒を圧縮する第１の圧５ｌｉｔ器３４と、油分離器３５
と、大気中に放熱させることによって冷媒を液化する凝
縮器３６と、液化せしめられた冷媒を減圧してカスケー
ドコンデンサー３１に送出する第１の膨張弁３７とから
Ｉｆ！Ｉ成されており、カスケードコンデンサにおいて
この冷媒が気化するに際して熱を吸収する際に、第２の
冷凍サイクルの高温側を冷却するものである。

一力、第２の冷凍サイクルは動力エネルギーによって冷
媒を圧縮する第２の辻縮捻３８と油分離ｌ！３９と、圧
縮せしめられた冷媒をカスケードコンデンサ３１におい
て第２の冷凍サイクルに対して放熱し液化せしめた後、
この液化せしめられた冷媒を第２の膨張弁４０で減圧し
て可撓管４１を介して蒸発器４２に導き、この蒸発器で
冷媒が気化するに際し、熱を吸収し、この蒸発器に接触
せしめられたエッチングスハウゼン素子２の高温側を１
７０Ｋまで冷却するものである。

このようにして、エッチングスハウピン水子の低温側に
配設せしめられた赤外線検出素子は、効率良くかつ制御
性良く１００に程度の極ａ温下に維持せしめられる。

上記構成によれば、比較的成績係数の商い熱光形冷凍シ
ステムによって冷却可能温度まで効率良く冷却し、それ
以下をエツヂングスハウセン素子によって制御性良く冷
却しているため、どこでも長時間にわたって８ｗ１度の
赤外線検出を行なうことが可能となる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

この赤外線検出器は、第３図に示す・如〈実施例のエッ
チングスハウゼン素子に代えて、ペルチエ効果形電子冷
凍３段カスケード２０を用いたもので、他は、前記実施
例と全く同一である。

ペルチエ効果形電子冷凍３段カスケード２０は、Ｎ形ビ
スマスアンヂモン２０ａとＰ形ビスマスアンチモン２０
ｂとが１対となって１つの熱雷素子を構成しており、こ
れを放熱板２０ｃを介してピラミッド形に配列したもの
である。

ここで、ピラミッド形を形成したのはその熱雷素子より
前段の素子で発生したジュール熱をその段の素子が、そ
の段の低温側から高温側へ運ぶが、この場合、素子当り
のこのジュール熱が大きいと、この素子の低温から高温
までの温度差が小さくなるためである。そこでこのよう
な現象の発生を防ぐべく、素子当りのジュール熱をほぼ
一定にするため下段にいくに従って素子数を増やし、温
度差が各段でほぼ等しくなるようにしている。

このような赤外線検出器においても、前記実施例と同様
に、いかなる場所においても、長時間にわたって高精度
の赤外線検出を行なうことが可能となる。

なお、実施例で（よ２段の蒸気圧縮形冷凍システムを用
いるようにしたが、２段に限定されることなく、適宜変
更可能である。

また、電子冷凍素子についても、必要とする温度に応じ
て、適宜段数を変更すればよい。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、赤外線検出器
の素子の冷却手段を蒸気圧縮形冷凍システムと、この蒸
気圧縮形冷凍システムによって冑られた低温を更に極低
温に冷却する電子冷凍素子とによって構成しているため
、場所を選ぶことなく長詩間にわたって高精度の赤外線
検出を行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例の赤外線検出器を示す図、第２
図は、同ム外線検出器で用いられているエッチングスハ
ウゼン素子を示す図、第３図は本発明の他の実施例の赤
外線検出器を示す図、第４図はエッチングスハウゼン素
子の動作原理を示す説明図、第５図は電子冷凍素子の他
の例を示す図である。 １・・・赤外線検出素子、２・・・エッチングスハウピ
ン晃子、３・・・２元蒸気圧縮冷凍サイクル、３１・・
・カスケードコンデンサ、３２・・・第１の冷凍サイク
ル、３３・・・第２の冷凍サイクル、３４・・・第１の
圧縮器、３５・・・油分離器、３６・・・凝縮器、３７
・・・第１の膨眼弁、３８・・・第２の圧縮機、３９・
・・油分離器、４０・・・第２の膨服弁、４１・・・可
撓管、４２・・・蒸発器、２０・・・ペルチエ効果形電
子冷凍３段カスケード、２０ａ・・・Ｎ形ビスマスアン
チモン、２０ｂ・・・Ｐ形ビスマスアンヂモン、ＡＩ、
Ａ２・・・電極、Ｍ・・・マグネット。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）赤外線検出素子と該赤外線検出素子を所定の温度
   に保持する冷却手段とを具えた赤外線検出器において、 前記冷却手段が ある一定温度までの冷却を行なう蒸気圧縮形冷凍サイク
   ルと、 それ以下の温度領域への冷却を行なう電子冷凍素子とか
   ら構成されていることを特徴とする赤外線検出器。
2. （２）前記電子冷凍素子はエッチングスハウゼン素子で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の
   赤外線検出器。
3. （３）前記電子冷凍素子はペルチエ素子であることを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の赤外線検出器
   。