FR2733306A1 - Dispositif de refroidissement miniature tres rapide - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de refroidissement miniature très rapide. Il comprend une enceinte 50 contenant une phase mixte liquide/gaz d'un gaz dont la température d'ébullition correspond à la température de refroidissement désiré. Une paroi (22) de l'enceinte est destinée à venir en contact avec un objet à refroidir. Des moyens inertiels (60) ou pyrotechniques permettent de perforer la paroi de l'enceinte pour ouvrir brusquement celle-ci, permettant au liquide de s'évaporer rapidement en prélevant la chaleur latente d'évaporation sur l'objet à refroidir rapidement. L'application envisagée est le refroidissement de détecteurs infrarouge devant fonctionner à basse température, notamment pour l'utilisation de tels détecteurs refroidis dans des munitions intelligentes.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Un montage de détecteur dans une structure de refoidissement est représenté schématiquement à la figure 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.

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.

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.

Le doigt de refroidissement est de préférence maintenu dans le cryostat par des entretoises annulaires 36, 38 en matériau isolant thermique.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Dans l'exemple représenté, le mécanisme d'ouverture brusque 60 permet de perforer une paroi de fermeture de l'enceinte 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.

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.

figure 1), partie qui est située à l'extérieur du cryostat lorsque le doigt est monté dans le 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.

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.

La paroi de l'enceinte peut être fragilisée d'une manière connue (amincissement, par exemple) à l'endroit où la rupture est désirée.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

La partie communiquant avec l'extérieur de la munition est de préférence la partie 24 déjà mentionnée, avec son ouverture 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.

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.

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.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de refroidissement comportant d'une part une enceinte fermée (50) contenant un liquide ayant une température d'ébullition à pression atmosphérique égale à la température de refroidissement désirée, cette enceinte possédant une paroi (22) dont la surface extérieure peut être mise en contact avec un objet à refroidir (10), et d'autre part un moyen (60) pour provoquer instantanément l'ouverture de l'enceinte vers l'atmosphère au moment où le refroidisssement est désiré.

2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture de l'enceinte sont des moyens mécaniques inertiels (62, 64, 66).

3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture de l'enceinte sont des moyens pyrotechniques.

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture comportent une pointe (64) de perçage d'une paroi (52) de l'enceinte.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'ouverture de l'enceinte comportent un moyen (82) de rupture d'un queusot (84) de fermeture de l'enceinte.

6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide contenu dans l'enceinte est un hydrocarbure gazeux à la pression atmosphérique.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le liquide est un hydrocarbure gazeux dont la température d'ébullition est de 180 K à 250 K environ.

8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le liquide est un hydrocarbure de formule CxHy, notamment C3H6,

C3H8, C4H10