DE2104095A1 - Device for cooling an IR detector - Google Patents
Device for cooling an IR detectorInfo
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Description
Einrichtung zur Abkühlung eines IR-Detektors Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Abkiihlung eines IR-Detektors mittels eines thermoelektrischen Kühlers, an den ein Wärmeableiter angeschlossen ist. Die Kühlung verfolgt den Zweck, die Empfindlichkeit des Detektors zu steigern. Apparatus for Cooling an IR Detector The present invention relates to a device for cooling an IR detector by means of a thermoelectric Cooler to which a heat sink is connected. The purpose of cooling is to increase the sensitivity of the detector.
Es sind bereits Kühleinrichtungen für IR-Detektoren bekannt, die sich eines thermoelektrischen Kllhlers bedienen; jedoch sind alle diese Einrichtungen mit einer Reihe von Nachteilen behaftet.There are already cooling devices for IR detectors known, which operate a thermoelectric cooler; however, all of these facilities are has a number of disadvantages.
So weisen die bekannten Einrichtungen ausschließlich mit Stickstoff gefüllte oder evakuierte Kühler auf, die daher annähernd vakuumdicht abgeschlossen sein müssen. Bei. der ersten Ausftthrungsart verhindert der Stickstoff, daß sich auf dem Detektor oder dem Durchtrittsfenster flir die Infrarot-Strahlung Feuchtigkeit niederschlagen kann. Bei einem evakuierten Kflhler ist das Beschlagen des IR-Fensters ebenfalls unterbunden; auch eine Wärmebelastung durch Gasmoleküle, wie sie der mit Stickstoff gefilllte Kühler aufweist, ist hier zunächst ausgeschlossen. Es läßt sich jedoch nicht vermeiden, daß die thermoelektrischen Kühler aufgrund ihrer physikalischen Struktur im evakuierten Raum gasen, wodurch im Laufc der Zeit durch Anhäufung von Gasmolelcitlen eine stetig steigende thermische Belastung entsteht; d.h. die Leistungsfähigkeit des Kühlers geht ständig zurück.So the known devices point exclusively with nitrogen filled or evacuated cooler, which is therefore almost vacuum-tight must be. At. The first type of execution prevents the nitrogen from settling moisture on the detector or the window for the infrared radiation can knock down. In the case of an evacuated radiator, the IR window is fogging up also prevented; also a heat load from gas molecules, such as those with Has nitrogen-filled coolers is initially excluded here. It leaves However, do not avoid the thermoelectric cooler due to their physical The structure in the evacuated space is gassing, which in the course of time is caused by the accumulation of Gas molecules create a steadily increasing thermal load; i.e. the performance of the cooler is constantly decreasing.
Die mit vakuumdichten Kühlern arbeitenslen Einrichtungen haben außerdem den groben Nachteil, daß eine Reparatur des Kühlers oder des Detektors fast unmöglich ist oder sehr hohe Kosten verursacht. Fällt der Kühler oder der Detektor aus, so wird meist das ganze System durch ein neues ersetzt, was wiederum mit sehr hohen Kosten verbunden iqt.The devices working with vacuum-tight coolers also have the major disadvantage that it is almost impossible to repair the cooler or the detector is or causes very high costs. If the cooler or the detector fails, so the whole system is usually replaced by a new one, which in turn is very high Costs associated iqt.
Weiterhin wird bei den bekannten Kiihleinrichtungen ein l rmeableiter aus Kupfer verwendet, um das Verlöten des Kühlers mit dem Wärmeableiter zu ermöglichen. Auf diese Weise werden zwar Temperaturgefälle zwischen der warmen Seite des thermoelektrischen Kilhlers und dem Wärmeableiter weitgehend vermieden, doch weisen derartig ausgebildete Einrichtungen ein beträchtliches Gewicht auf und sind daher für viele Anwendungsfälle nicht brauchbar.Furthermore, in the known cooling devices, a heat sink is used Made of copper used to allow the cooler to be soldered to the heat sink. In this way there are temperature gradients between the warm side of the thermoelectric Kilhlers and the heat sink largely avoided, but have such trained Facilities carry a considerable weight and are therefore suitable for many applications not usable.
Es sind auch schon Kühleinrichtungen bekannt geworden, die diesen Nachteil dadurch zu umgehen suchen, daß ein Wärmeableiter aus Aluminium verwendet wird, der mit dem Kühler entweder verklebt oder mittels einer wärmeleitenden Paste verbunden ist. Diese Einrichtungen sind ebenfalls nur in beschränktem Umfang einsatzfähig, da ihre Vibrationsfestigkeit sehr zu wilnschen übrig läßt. Bei Anwendung der Klebemethode muß noch in Kauf genommen werden, daß zwischen thermoelektrischem Kilhler-und Wärmeableiter ein Temperaturgefälle entsteht.There are also cooling devices known that these To avoid the disadvantage by using a heat sink made of aluminum which is either glued to the cooler or by means of a thermally conductive paste connected is. These facilities are also only usable to a limited extent, because their vibration resistance leaves much to be desired. When using the gluing method must still be accepted that between the thermoelectric Kilhler and heat sink a temperature gradient arises.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für IR-Detektoren anzugeben, bei der die bei den bekannten Einrichtungen auftretenden Menge beseitigt sind, d.h. die eine leichte Reparierbarkeit mit einer größeren Zuverlässigkeit verbindet und zudem in einem weiten Bereich eingesetzt werden kann.The present invention is therefore based on the object of a Specify cooling device for IR detectors, in which the known devices occurring amount are eliminated, i.e. which can be easily repaired with a combines greater reliability and is also used in a wide range can be.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist darin zu erblicken, daß der Detektor und der thermoelektrische Kithler in einem unter Normailuftdruck stehenden, mit einem leicht entfernbaren Deckel versehenen Trockengasgefäß angeordnet sind und daß der Wärmeableiter aus oberflächlich verkupfertem Alu-Minium besteht und mit dem thermoelektrischen Kühler verlötet ist.The solution to the problem is to be seen in the fact that the Detector and the thermoelectric kithler in a normal air pressure, are arranged with an easily removable lid provided drying gas vessel and that the heat sink made of superficially copper-plated aluminum exists and is soldered to the thermoelectric cooler.
Da das Innere des Trockengasgefä.ßes, z.B. eines Trockenluftgefäßes, durch Abnehmen des Deckels zugänglich gemacht werden kann, ist eine Reparatur an des Detektor oder an dem thermoelektrischen Kühler leicht durchzuführen. In dem Trokkengasgefäß herrscht Normalluftdruck, so daß ein vakuumdichtes Gehäuse nicht erforderlich ist. Fiir den Wärmeableiter wird Aluminium verwendet, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und ein relativ geringes spezifisches Gewicht besitzt. Letzteres trägt dazu bei, daß das Gewicht der gesamten Einrichtung eine bestimmte Größe nicht überschreitet.Since the inside of the drying gas vessel, e.g. a drying air vessel, can be accessed by removing the cover, a repair is pending of the detector or on the thermoelectric cooler. By doing The dry gas vessel is at normal air pressure, so that a vacuum-tight housing is not is required. Aluminum is used for the heat sink, which is good Has thermal conductivity and a relatively low specific weight. The latter contributes to the fact that the weight of the entire device is not a certain amount exceeds.
Um die mit Nachteilen behaftete Verklebung zwischen dem Wärmeableiter und dem thermoelektrischen Kühler zu vermeiden, ist die Oberflache des Wärmeableiters verkupfert und der Kühler mit der verkupferten Oberflache verlötet. Die Kupferauflage kann etwa 60 u dick sein. Durch die Verlötung von Wärmeableiter und Kühler ist, eine sehr gute Wärmeableitung gewährleistet, und die ganze Einrichtung besitzt eine hervorragende Stabilität bei Vibration.About the disadvantageous bond between the heat sink and to avoid the thermoelectric cooler is the surface of the heat sink copper-plated and the cooler is soldered to the copper-plated surface. The copper plating can be about 60u thick. By soldering the heat sink and cooler, ensures a very good heat dissipation, and the whole facility has a excellent stability under vibration.
Zweckmäßig ist zur Abdichtung zwischen dem Deckel des Trokkengasgefäßes und diesem selbst ein O-Ring angeordnet, der durch Schrauben zusammengepreßt werden kann.It is useful for sealing between the lid of the dry gas vessel and this itself an O-ring arranged, which are pressed together by screws can.
Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in dem Trokengasgefäß auswechselbare Molekularsiebe anzubringen, deren Taupunkt etwa bei -850c liegt. Diese Molekularsiebe haben die Aufgabe, etwa vorhandene Feuchtigkeitsspuren zu binden, damit das Beschlagen des Detektors oder IR-Fensters Mit höchster Sicherheit verhindert wird.An advantageous further embodiment of the invention provides in to attach exchangeable molecular sieves to the dry gas vessel, their dew point approximately is -850c. These molecular sieves have the task of removing any traces of moisture that may be present to tie so that fogging of the detector or IR window with maximum security is prevented.
Sie bewirken, daß eine Sättigung der Luft mit dem vorhandenen Wasserdampf schon bei -850C eintritt; d.h. der gesamte vorhandene Wasserdampf wird in den Blolekularsieben festgehalten.They cause a saturation of the air with the existing water vapor occurs at -850C; i.e. the entire existing water vapor is in the molecular sieves held.
Die Molekularsiebe sind in einem Siebbehälter gehaltert, der von außen zuginglich ist, so daß verbrauchte Molekularsiebe bei Bedarf ohne Schwierigkeit durch frisch aktivierte Siebe ersetzt werden können. Der Siebbehälter ist durch Schrauben und einen O-Ring abgedichtet.The molecular sieves are held in a sieve container that can be accessed from the outside is accessible, so that used molecular sieves if necessary without difficulty can be replaced by freshly activated sieves. The sieve container is through Screws and an O-ring sealed.
Um einen Wärmeübergang von der thermoelektrischen Kühler zu dem Trockengasgefäß auszuschalten, ist der Zwischenraum zwischen beiden mit einem weirmeisolierenxlen Medium ausgegossen.To ensure heat transfer from the thermoelectric cooler to the drying gas vessel to be switched off, the space between the two is to be isolated with a weirmexlen Medium poured out.
Beispielsweise kann dazu ein Zweikomponenten-Hartschaumstoff verwendet werden. Das hat den Vorteil,daß außer einer Liften Wärmeisolierung auch eine zusitzliche Verbesserung der Vibrationsfestigkeit der Kühleinrichtung erzielt wird.For example, a two-component rigid foam can be used for this purpose will. This has the advantage that besides a lift there is also an additional thermal insulation Improvement of the vibration resistance of the cooling device is achieved.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.In the drawing, an embodiment of the device is shown of the invention shown schematically.
Ein aus Aluminium bestehendes Trockenluftgefäß 1 weist einen mittels Schrauben 7 zu befestigenden Deckel 5 auf, der durch einen O-Ring 6 abgedichtet ist. Der innerhalb des Trockenluftgefäßes 1 anstehende Druck entspricht dcln Normalluftdruck. In dem Deckel 5 ist ein für IR-Strahlen durchlässiges Fenster 8 vorgesehen, das entweder eingekittet oder mittels eines O-Ringes (nicht dargestellt ) gegen den Deckel abgedichtet ist. Unterhalb des Fensters 8 ist in dem Trockenluftgefäß 1 ein IR-Detektor 2 angeordnet, der in thermischen Kontakt mit einem aus zwei Stufen 3, 4 aufgebauten thermoelektrischen Kühler steht. Zur Kontrolle der Temperatur des Detektors 2 ist an dem thermoelektrischen Kühler ein Thermofühler 9 angebracht. Nach Entfernen des Deckels 5 lassen sich Reparaturen an dem IR-Detektor 2 sowie an dem thermoelektrischen Kühler 3, 4 ohne Schwierigkeiten durchführen.An existing aluminum drying air vessel 1 has a means Screws 7 to be fastened cover 5, which is sealed by an O-ring 6 is. The pressure within the drying air vessel 1 corresponds to the normal air pressure. In the cover 5, a window 8 permeable to IR rays is provided which either cemented or by means of an O-ring (not shown) against the Lid is sealed. Below the window 8 in the drying air vessel 1 is a Arranged IR detector 2, which is in thermal contact with one of two stages 3, 4 built-in thermoelectric cooler is available. To control the temperature of the Detector 2, a thermal sensor 9 is attached to the thermoelectric cooler. After removing the cover 5, repairs to the IR detector 2 as well as perform on the thermoelectric cooler 3, 4 without difficulty.
Unterhalb des thermoelektrischen Kühlers 3, 4 ist ein Plättchen 10 aus Wärme leitendem, aber elektrisch isolierendem Material vorgeschen, durch das der thermoelektrische Kühler unter Zwischenschaltung einer Kupferplatte 12 in thermischem Kontakt mit dem Trockenluftgefäß 1 steht, dessen Innenfläche 11 verkupfert ist. Die Kupferplatte 12 ist mit der Innenfläche 11 verlötet, um das Entstehen eines Temeraturgefälles zwischen der warmen Seite des thermoelektrischen Kilhlers und dem Trockenluftgefäß 1 zu vermenden. Letzteres dient gleichzeitig als Wärmeableiter unci ist zu diesem Zweck mit einer Anzahl von Kilhirippen 13 versehen. Der Raum zwischen dem thermoelektrischen Kühler 3, 4 und dem Trockenluftgefäß 1 ist zur Wärmeisolation mit einem Zweikomponenten-Hartschaumstoff ausgegossen, so daß die Wärme von dem Kühler nur silber die Platte 10 abgeführt wird.A plate 10 is located below the thermoelectric cooler 3, 4 made of heat-conducting, but electrically insulating material, through which the thermoelectric cooler with the interposition of a copper plate 12 is in thermal contact with the drying air vessel 1, the inner surface 11 is copper-plated. The copper plate 12 is soldered to the inner surface 11 to the Creation of a temperature gradient between the warm side of the thermoelectric Kilhlers and the drying air vessel 1 to be mixed. The latter also serves as For this purpose, the heat sink unci is provided with a number of Kilhi ribs 13. The space between the thermoelectric cooler 3, 4 and the drying air vessel 1 is filled with a two-component rigid foam for thermal insulation, see above that the heat from the cooler only silver the plate 10 is dissipated.
Innerhalb des Trockenluftgefäßes 1 ist ein Molekularsiebbehälter 14 derart untergebracht, daß er nach Lösen einer Schraube 17 von außen leicht zugänglich. ist. Die Abdichtung des Molekularsiebbehälters 14 erfolgt mittels eines 0-Ringes 16. Der Molekularsiebbehälter 14 kann eine große Anzahl von Molekularsieben 15 aufnehmen, die einen Taupunkt von ca. -85°C aufweisen und den in dem Trockenluftgefäß 1 etwa vorhandenen Wasserdampf festhalten. Nach Entfernen der Schraube 1-7 können die Molekularsiebe 15 leicht durch frische Siebe ersetzt werden.A molecular sieve container 14 is located within the drying air vessel 1 housed in such a way that it is easily accessible from the outside after loosening a screw 17. is. The molecular sieve container 14 is sealed by means of an O-ring 16. The molecular sieve container 14 can hold a large number of molecular sieves 15, which have a dew point of about -85 ° C and the one in the drying air vessel 1 about hold on existing water vapor. After removing the screw 1-7, the molecular sieves 15 can easily be replaced with fresh sieves.
Die elektrischen Zuleitungen für den Kühler, Detektor und Therrnofühler sind in der Zeichnung nicht dargestellt; sie werden in hekannter Weise mittels lötbarer Vakuumdurchführungen durch die Wandung des Trockenluftgefäßes 1 geführt.The electrical supply lines for the cooler, detector and thermal sensor are not shown in the drawing; they are solderable in a well-known way Vacuum feedthroughs passed through the wall of the drying air vessel 1.
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