Comprendre la fiabilité du système cryo-refroidi

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Teledyne FLIR comprend la nécessité de préparer les missions de ses utilisateurs et l’importance d’un fonctionnement prolongé et sans maintenance des systèmes infrarouges (IR). Les modules de caméra refroidis à infrarouge à longueur d’onde moyenne (MWIR) doivent être conçus, testés et fabriqués pour répondre à des exigences rigoureuses en matière d’environnement et de fiabilité. Il s’agit notamment de plages de températures militaires et de niveaux élevés de chocs et de vibrations. Teledyne FLIR, conscient que la fiabilité et la durée de vie opérationnelle des modules sont généralement déterminées par le fonctionnement et la durée de vie du cryo-refroidisseur, a développé, testé et fabriqué un cryo-refroidisseur linéaire, robuste et à longue durée de vie destiné à fabriquer des modules de caméra MWIR optimisés en matière de taille, de poids et d’énergie (SWaP) avec des durées de vie opérationnelles inégalées sur le marché. D’après les tests de durée de vie et l’analyse de Weibull, le temps moyen avant la panne (MTTF) du cryo-refroidisseur FLIR FL-100 de Teledyne est passé d’environ 17 000 heures lors de l’insertion du prototype à environ 27 000 heures pour les unités de production actuelles avec une durée de vie visée de plus de 30 000 heures.

Ce document décrit les types et l’histoire des cryo-refroidisseurs, explique plusieurs malentendus courants concernant leur fiabilité et présente les mesures prises par Teledyne FLIR pour améliorer la durée de vie des cryo-refroidisseurs.

Introduction au module de caméra infrarouge et au système

Teledyne FLIR conçoit et fabrique de nombreux systèmes d’imagerie IR différents. La gamme de produits Neutrino® comprend des modules de caméra haute performance MWIR et plusieurs modèles de la série Neutrino IS qui intègrent le module de caméra MWIR avec un ensemble d’objectifs à zoom continu (CZ). Ces modules ou systèmes de caméra MWIR cryo-refroidis sont disponibles dans une variété de configurations de modèles, chacun intégrant des composants similaires, mais avec de légères variations pour optimiser les performances en fonction de la taille, du poids et de l’énergie. Les composants et fonctions suivants sont inclus dans les modules et systèmes de caméra MWIR.

• Matrice à plan focal (FPA) : Le FPA est composé d’un détecteur hybride à un circuit intégré de lecture (ROIC). Le détecteur convertit les photons MWIR en un courant électrique. Le ROIC lit le courant et fournit une tension analogique ou un signal numérique qui est proportionnel au nombre de photons au niveau du détecteur. Pour l’instant, les détecteurs InSb et la plupart des détecteurs HgCdTe fonctionnent mieux à des températures cryogéniques (p. ex., 77K). Ces basses températures nécessitent une capacité de refroidissement importante, ce qui se traduit par une taille de refroidisseur plus importante, un poids plus élevé et une plus grande consommation d’énergie. Les détecteurs infrarouges à barrière MWIR chauds (p. ex., T2SL) sont considérés comme des détecteurs à haute température de fonctionnement (HOT) à environ 120K et nécessitent donc une capacité de refroidissement inférieure. Ces températures plus élevées se traduisent par un refroidisseur plus petit, plus léger, moins gourmand en énergie, un temps d’acquisition de l’image réduit et une durée de vie plus longue du refroidisseur.
• Dewar : Le Dewar est un emballage sous vide contenant le FPA, un écran froid (définit le nombre f/nombre et empêche la lumière parasite) et un filtre froid (détermine les longueurs d’onde des photons au niveau du détecteur). Les signaux électriques entre la ROIC et l’électronique de la caméra sont fournis par des traversées hermétiques. Des nombres f/nombres plus rapides augmentent les performances, mais augmentent également la taille de l’optique.

• Cryo-refroidisseur : Les cryo-refroidisseurs mécaniques fournissent un refroidissement à durée prolongée aux FPA IR. Les conceptions modernes s’intègrent directement au Dewar dans le cadre d’un assemblage de refroidisseurs Dewar intégré (IDCA). Elles sont également intégrées et contrôlées par l’électronique de la caméra, généralement par l’intermédiaire d’un module électronique de contrôle du refroidisseur dédié.
• Électronique de la caméra : L’électronique de la caméra peut inclure plusieurs circuits imprimés (PCBA) pour réaliser les fonctionnalités suivantes.
  L’électronique de l’interface capteur comprend l’alimentation, les horloges et la logique de synchronisation vers le FPA et, si nécessaire, la numérisation des sorties FPA
  L’électronique de l’interface utilisateur comprend le traitement du signal pour le filtrage du bruit, l’amélioration de l’image, la logique opérationnelle et les fonctions de caméra, y compris l’interface globale de commande et de contrôle et les normes de sortie vidéo pour l’interface utilisateur.
  L’électronique du contrôleur du refroidisseur régule le fonctionnement du refroidisseur afin de refroidir et de maintenir la température du FPA/Dewar choisie pour optimiser la performance et la qualité de l’image.
  L’électronique du contrôleur optique contrôle l’assemblage de l’objectif opto-mécanique, maintient la mise au point athermalisée en continu sur le zoom et prend en charge l’interface utilisateur.
• Optique continue (CZ) : Une optique CZ peut être intégrée pour fournir la solution d’imagerie finale. L’objectif opto-mécanique CZ comprend l’assemblage optique, l’emballage mécanique, les moteurs de mise au point et de zoom, ainsi que les capteurs de température.
  

Cryo-refroidisseurs passés et présents

Les cryo-refroidisseurs Stirling destinés aux applications tactiques sont presque toujours de type rotatif ou linéaire. Les refroidisseurs rotatifs utilisent un vilebrequin fixé à leur piston mobile et à leur déplaceur. Cette disposition permet un contrôle précis de l’angle de phase relatif de ces composants, mais introduit des forces latérales provenant des liaisons du vilebrequin qui peuvent avoir un impact sur la durée de vie et la fiabilité. En revanche, les refroidisseurs linéaires sont entraînés par des actionneurs de type bobine mobile avec des forces latérales minimales qui reposent sur l’entraînement pneumatique et le réglage pour contrôler la phase du déplaceur par rapport au compresseur.

Les refroidisseurs rotatifs étaient le type de refroidisseur le plus populaire des premiers capteurs refroidis. En raison de leur mécanisme mécanique précis de contrôle de la phase et du fait que la phase ne varie pas en fonction de la fréquence (RPM), les refroidisseurs rotatifs ont toujours eu un rendement plus élevé et des temps de refroidissement plus rapides que les refroidisseurs linéaires. Le défaut de ces refroidisseurs a toujours été leur durée de vie, en raison de l’usure accrue des joints d’étanchéité due aux forces latérales générées par leurs liaisons mécaniques avec le vilebrequin. Cependant, les conceptions modernes ont grandement amélioré la fiabilité, certains fabricants revendiquant des durées de vie de 15 000 à 30 000 heures. Un autre défaut des refroidisseurs rotatifs est l’exportation de vibrations provenant de leurs mécanismes à manivelle déséquilibrés, qui peuvent provoquer une gigue pour les systèmes sensibles et, à leur tour, entraîner une augmentation de l’empreinte SWaP et une baisse de la fiabilité si une stabilisation est nécessaire. La production de bruit acoustique est également un problème avec de nombreux refroidisseurs rotatifs.

Figure 1. Schémas des cryo-refroidisseurs rotatifs et linéaires

Les cryo-refroidisseurs linéaires sont devenus le type de refroidisseur le plus courant pour les systèmes plus récents en raison de leur durée de vie significativement plus longue et de la réduction des vibrations exportées. Le mécanisme de cryo-refroidisseur linéaire entraîne généralement une taille légèrement plus grande pour une capacité de refroidissement donnée et des temps de refroidissement légèrement plus longs. Comme ils sont réglés pour fonctionner à proximité de la résonance, les refroidisseurs linéaires sont limités à une fréquence de fonctionnement unique. Leur puissance d’entrée peut être modulée par l’amplitude des pistons du compresseur, mais l’incapacité à augmenter la fréquence pendant le temps de refroidissement entraîne des temps de refroidissement plus longs que ce qui peut être obtenu à l’aide de refroidisseurs rotatifs. En ce qui concerne les refroidisseurs linéaires modernes, on s’attend à des durées de vie de 20 000 à 30 000 heures.

Le refroidisseur à tube à impulsions est un type spécial de refroidisseur Stirling dans lequel le déplaceur Stirling mobile situé dans le doigt froid est remplacé par un expanseur ne contenant aucune pièce mobile. Une colonne de gaz remplace le déplaceur Stirling physique. Ce « piston à gaz » est associé à un régénérateur stationnaire et à un mécanisme de déphasage pour contrôler le débit massique par rapport à la pression oscillatoire. Ce mécanisme de contrôle de phase est plus sensible aux conditions de fonctionnement que le réglage pneumatique du refroidisseur Stirling linéaire standard, ce qui entraîne une efficacité inférieure aux points de fonctionnement éloignés du point de conception. Le temps de refroidissement est particulièrement impacté et est généralement significativement plus long que les autres refroidisseurs de capacités similaires. La séparation du régénérateur du tube à impulsions, qui devient le déplaceur efficace, conduit à un doigt froid plus grand. Les tubes à impulsions sont également sujets à la sensibilité d’orientation, en particulier dans les environnements à haute densité. Ces défauts ont empêché l’utilisation des refroidisseurs à tubes à impulsion dans la plupart des applications tactiques, malgré leur avantage en matière de durée de vie. Couplés à un compresseur à paliers flexibles sans contact, les refroidisseurs à tube à impulsions peuvent atteindre des durées de vie supérieures à 100 000 heures.

Notions de base et idées fausses sur la fiabilité du cryo-refroidisseur

Figure 2. Relation entre MTBF, MTTF, taux de panne et distribution cumulée des pannes

La fiabilité des modules de caméra refroidis et des cryo-refroidisseurs est souvent exprimée en matière de temps moyen entre les pannes (MTBF) ou de temps moyen avant la panne (MTTF). Bien que ces termes semblent similaires, il existe plusieurs distinctions importantes. Généralement, le MTBF est appliqué aux systèmes réparables tandis que le MTTF est utilisé pour les systèmes qui ne peuvent pas être réparés. Plus important encore, les deux mesures sont définies différemment et ne se comparent pas directement les unes aux autres. Pour ajouter à l’ambiguïté, parfois le MTTF est appelé temps moyen avant la panne et abrégé en MTBF. Ces mesures, le taux de panne typique et les courbes de distribution des pannes cumulées sont présentées dans la Figure 2.

La mesure MTBF (entre) suppose un taux de pannes constant pour un composant, ce qui est une bonne hypothèse pour les composants non soumis à l’usure mécanique (p. ex., l’électronique). Elle équivaut à l’inverse du taux de panne aléatoire du composant et est souvent définie comme (nbre d’heures de fonctionnement) / (nbre de défaillances) pour une population d’intérêt. Historiquement, le MTBF était souvent utilisé pour les cryo-refroidisseurs et les caméras IR refroidies, en particulier lorsque les cryo-refroidisseurs s’usaient rapidement et étaient fréquemment remplacés. Pour les cryo-refroidisseurs plus modernes, le taux de panne avant l’usure est généralement très faible et le MTBF est donc très élevé. Étant donné qu’il ne tient pas compte de l’usure mécanique du cryo-refroidisseur et qu’il se concentre uniquement sur le taux de panne aléatoire avant l’usure, le MTBF calculé d’un cryo-refroidisseur dépassera souvent considérablement son MTTF ou sa durée de vie prévue.

Les présentes estimations de durée de vie des cryo-refroidisseurs sont plus souvent présentées en matière de MTTF et calculées à l’aide des statistiques de Weibull. La distribution Weibull la plus utilisée inclut deux paramètres, un paramètre de forme indiquant la quantité d’usure dans le système et un paramètre de durée de vie représentant le point auquel 63 % de la population aura échoué. La distribution Weibull à deux paramètres qui représente le taux de panne en fonction du temps est présentée ci-dessous.

Le MTTF, défini comme l’heure à laquelle 50 % des unités de la population auront échoué, peut être calculé à partir d’un échantillon d’unités à l’aide d’un logiciel d’analyse statistique. Cette méthodologie est désormais utilisée par la majorité des fabricants de cryo-refroidisseurs, mais beaucoup rapportent le paramètre de durée de vie de leur distribution (63 % de panne) plutôt que le véritable MTTF (50 % de panne). Comme cette méthode tient compte de l’usure des refroidisseurs mécaniques, elle fournit une meilleure estimation de leur durée de vie utile réelle. Teledyne FLIR estime la durée de vie des cryo-refroidisseurs pour nos produits en adaptant les données de nos tests de durée de vie à une distribution de Weibull et en calculant le point MTTF (50 % de panne) de la population.

Alors que les entrées MTTF du cryo-refroidisseur sont utiles pour établir la fiabilité du système cryo-refroidi IR, une mise en garde importante s’applique aux modules et systèmes de caméras IR de Teledyne FLIR. Les cryo-refroidisseurs sont ainsi conçus comme un composant remplaçable en usine dans le système. Un refroidisseur cryogénique usé peut être facilement remplacé dans notre usine, ce qui signifie que le système IR doit être considéré comme utilisable plusieurs fois si nécessaire, offrant ainsi une durée de vie opérationnelle prolongée du système infrarouge.

Fiabilité des cryo-refroidisseurs Améliorations chez Teledyne FLIR

Une préparation opérationnelle et un fonctionnement long, sans entretien sont essentiels pour les missions de système IR. Teledyne FLIR a développé un cryo-refroidisseur linéaire robuste, à longue durée de vie, qui fait partie des modules de caméra MWIR refroidis Neutrino® optimisés pour le SWaP. Le cryo-refroidisseur linéaire FL-100 illustré à la Figure 3 est non seulement le meilleur de sa catégorie en matière de performances, mais il a également une durée de vie estimée à plus de 27 000 heures (MTTF) établie à partir de tests de durée de vie et de la distribution de Weibull.

La conception du FL-100 a fait l’objet d’efforts d’amélioration continue depuis son lancement en
2018. De multiples améliorations en matière de réduction des frottements et de tolérance ont été apportées, ce qui a permis d’augmenter la durée de vie et la capacité de refroidissement. Les innovations de processus, principalement axées sur la qualité des joints de frottement et l’alignement des composants mobiles, ont également contribué de manière significative à améliorer la durée de vie. L’impact de ces améliorations sur la fiabilité du FL-100 a été quantifié grâce au programme de test de fiabilité du cryo-refroidisseur de Teledyne FLIR. Des améliorations supplémentaires sont en cours de validation pour atteindre un MTTF supérieur à 30 000 heures.

Figure 3 : Cryo-refroidisseur Teledyne FLIR FL-100

Teledyne FLIR effectue des tests continus de fiabilité du cryo-refroidisseur dans la double optique de vérifier et d’améliorer la fiabilité. Les tests comprennent à la fois des tests standard de l’industrie suivant le profil de test de résistance de l’armée américaine, le Standard Advanced Dewar Assembly (SADA), et des tests de durée de vie accélérée (ALT) intégrant plusieurs contraintes d’accélération. Les données collectées permettent la traduction des résultats des tests accélérés en durées de vie équivalentes à la SADA. Le centre de test du FL-100 a une capacité de 26 refroidisseurs dont 8 sont dédiés au profil SADA et 18 soumis à l’ALT. De nouvelles unités sont ajoutées à mesure que les stations de test deviennent disponibles, ce qui permet de vérifier la performance de la production actuelle et d’évaluer les améliorations de processus et de conception. Sur la base de ce programme de test de durée de vie et de l’analyse Weibull, le MTTF estimé du cryo-refroidisseur FL-100 est passé d’environ 17 000 heures au lancement du prototype à environ 27 000 heures pour les unités de production actuelles.

Figure 4 : Évolution du MTTF de FLIR FL-100 de Teledyne basée sur les tests de fiabilité et l’analyse Weibull

Résumé de Teledyne FLIR FL-100

La fiabilité du cryo-refroidisseur dans des environnements variables est souvent mise à l’échelle en fonction des exigences de la puissance d’entrée d’une application donnée. De ce fait, les durées de vie estimées dans un environnement standard (p. ex., le profil SADA) peuvent être transposées à un cas d’utilisation client au moyen d’une normalisation en wattheures. Pour cette raison, un cryo-refroidisseur plus efficace a généralement une durée de vie plus longue, en particulier dans les applications stressantes.

Outre sa fiabilité de pointe, le FL-100 a été conçu pour fournir une capacité de refroidissement efficace à la puissance d’entrée. La Figure 5 compare les courbes de performance de refroidissement du FL-100 et de cinq refroidisseurs linéaires actuellement disponibles auprès de plusieurs fournisseurs, avec des données provenant de sources publiques, notamment des fiches techniques et des articles publiés. Le FL-100 offre une amélioration d’au moins 20 % et jusqu’à une amélioration double de la puissance d’entrée de la capacité de refroidissement par rapport à des refroidisseurs linéaires similaires.

Figure 5 : Capacité de refroidissement de la puissance d’entrée du refroidisseur FL-100 comparée aux micros refroidisseurs typiques

Les cryo-refroidisseurs linéaires sont devenus le type de refroidisseur le plus courant pour les systèmes plus récents en raison de leur durée de vie significativement plus longue et de la réduction des vibrations exportées. En ce qui concerne les refroidisseurs linéaires modernes, on s’attend à des durées de vie de 20 000 à 30 000 heures. Le cryo-refroidisseur linéaire FLIR FL-100 de Teledyne a un MTTF d’environ 27 000 heures et l’amélioration continue du produit vise à dépasser le MTTF de 30 000 heures. Il est intégré dans les modules de caméra Neutrino LC de résolution 640 x 512 optimisés SWaP récemment commercialisés et dans les modules de caméra Neutrino SX8 de résolution 1280 x 1024 refroidis par MWIR, ainsi que dans la série Neutrino IS de modules de caméra MWIR VGA et SXGA avec divers ensembles d’objectifs CZ. En tant que composant fiable et remplaçable, le FL-100 permet une durée de vie prolongée pour la gamme Neutrino.

Pour en savoir plus, rendez-vous sur www.flir.com/neutrino.