一種雙制冷且互為備份的冷量傳輸結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外探測器組件技術(shù)，具體是指一種用于紅外探測器杜瓦組件的雙制 冷且互為備份的冷量傳輸結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法，它適用于大面陣紅外焦平面探測器組件封裝， 同樣適用于其它低溫元件的真空組件封裝。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外探測器杜瓦組件在航天紅外領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著波長向長波擴展和探 測靈敏度的提高，紅外探測器必須在低溫下才能工作。由于機械制冷具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積 小、重量輕、制冷量大、制冷時間短、制冷溫度可控范圍大等優(yōu)點，目前該類探測器在空間應(yīng) 用中大多采用機械制冷方式。這樣也使得其在應(yīng)用時大多采用杜瓦封裝形成紅外探測器杜 瓦組件。
[0003] 傳統(tǒng)的紅外探測器組件多采用單制冷模式，紅外探測器杜瓦組件匹配一臺制冷 機。在空間應(yīng)用時存在如下問題：1)制冷機在空間運行一段時間后，由于微泄露、污染或磨 損等因素會導(dǎo)致制冷機效率降低，使得制冷機能提供的制冷量下降。當(dāng)冷量無法滿足探測 器深低溫工作的要求時，紅外探測器就無法工作在所必須的溫度點，使得探測器的性能衰 退甚至喪失，從而使得高空間分辨率紅外遙感儀器癱瘓?，F(xiàn)有的處理方式是在項目策劃初 期，充分考慮制冷能力衰減的余量，提高制冷機早期能提供的制冷量，來克服此問題。但其 帶來的后果是壽命末期，需要提供制冷機更大功空間耗。這就儀器和儀器平臺空間散熱也 提出更高的要求，這兩點增加設(shè)計復(fù)雜程度和研制成本；2)制冷機是紅外探測器組件空間 應(yīng)用的關(guān)鍵部件，空間應(yīng)用的特殊性決定了其不可維修或更換，一旦失效，紅外探測器無法 工作，空間儀器就癱瘓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本專利的目的是提供一種用于紅外探測器杜瓦組件的雙制冷且互為備份的冷量 傳輸結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法，來解決傳統(tǒng)的航天用紅外探測器杜瓦組件在軌壽命末期功耗增大問 題和制冷機故障而導(dǎo)致儀器癱瘓的概率，提高空間用紅外探測器組件空間應(yīng)用的可靠性。
[0005] 本專利一種用于紅外探測器杜瓦組件的雙制冷且互為備份的冷量傳輸結(jié)構(gòu)及實 現(xiàn)方法，如附圖1所示，它包括：支撐1、芯片基板2、探測器安裝板3、芯柱4、冷鏈5、雙向冷 頭6、中空套筒冷開關(guān)7、冷開關(guān)連接部分701、冷開關(guān)外筒702、冷開關(guān)內(nèi)筒703、冷開關(guān)底部 結(jié)構(gòu)704、下冷屏8、柱殼9、主制冷機柱殼法蘭盤901、備份制冷機柱殼法蘭盤902,其特征在 于：
[0006] 雙向冷頭6與冷開關(guān)通過冷開關(guān)連接部分704的外螺紋進行連接。中空套筒式冷 開關(guān)7與芯柱4進行釬焊。冷開關(guān)各零件除冷開關(guān)內(nèi)筒703采用因瓦材料外，其余均采用 紫銅材料。冷開關(guān)底部結(jié)構(gòu)704與冷開關(guān)內(nèi)筒703、外筒702以及冷開關(guān)連接部分701均 采用高精度裝配及釬焊方式，需要保證冷開關(guān)外筒702與冷開關(guān)連接部分704、冷開關(guān)外筒 702與雙向冷頭6之間均留有0. 2mm-0. 6_間隙。下冷屏8通過螺釘固定在探測器安裝板 3的兩側(cè)。支撐、支撐板、芯柱、外殼等零件均采用TC4材料，芯柱4與柱殼9均采用激光焊 接方式密封連接，主制冷機法蘭盤（901)和備份制冷機法蘭盤（902)釬焊在焊在柱殼（9) 上。將主制冷機與主制冷機法蘭盤901螺接，備份制冷機與備份制冷機法蘭盤902螺接，并 呈左右對置式布置。
[0007] 中空套筒式冷開關(guān)原理如圖2所示，制冷機在工作時將制冷量通過制冷機冷指 傳輸?shù)蕉磐咝局?及冷開關(guān)底部結(jié)構(gòu)704,由于冷開關(guān)外筒702和內(nèi)筒703的材質(zhì)分別 為紫銅和因瓦，二者在80K低溫時熱導(dǎo)率及線膨脹系數(shù)存在較大差異，導(dǎo)致冷開關(guān)外筒 702收縮性比內(nèi)筒703大，冷開關(guān)外筒702與內(nèi)筒703之間將會閉合，這樣就能使內(nèi)筒 703與外筒702同時與雙向冷頭3進行緊密接觸。由于紫銅和因瓦熱膨脹系數(shù)不一致， 經(jīng)
，其中α，β分別為紫銅和因瓦的熱膨脹系數(shù)，AL1 = α*1^*ΔΤ，ΔΙ^=β*L2*ΔT，推算ΔL=ΔL「ΔL2=α*1^*ΔΤ-β*L2*ΔT，得出為 0· 2mm， 其中為保證間隙可控及接觸時良好的導(dǎo)熱性能，間隙控制在〇. 2-0. 6_，因瓦材料的套筒冷 開關(guān)內(nèi)筒703及紫銅材料的套筒冷開關(guān)外筒702之間的間隙兩端分別采用磁控濺射的方法 鍍0· 1mm的銦。
[0008] 中空套筒式冷開關(guān)閉合和斷開時的原理如圖3、4所示，其中，Rl、R4、R5、R8分別 為冷開關(guān)的底部結(jié)構(gòu)、外筒、內(nèi)筒、連接部分本身的熱阻，而R2、R3、R6、R7、R9分別為接觸熱 阻。中空套筒式冷開關(guān)的斷開熱阻：
[0009] 1?。^=Ri+Ru+Rs+Ry+Rg+Rg，
[0010] 中空套筒式冷開關(guān)的閉合熱阻：
[0011]
[0012] 中空套筒式冷量傳輸結(jié)構(gòu)的性能要求決定了在其裝配過程中要求保證較高的精 度和力學(xué)性能，在芯柱軸向方向的過定位消除采用套筒式冷開關(guān)連接部分與雙向冷頭螺紋 連接的辦法，而在杜瓦窗口帽軸向方向上采用冷鏈和芯片基板墊銦片的辦法消除過定位。
[0013] 本發(fā)明的實現(xiàn)方法如下：
[0014] 1)完成中空套筒冷開關(guān)冷量傳輸結(jié)構(gòu)的焊接與裝配；
[0015] 2)完成各零部件的焊接、探測器組裝、二極管膠接及引線焊接等工藝；
[0016] 3)將步驟1)中中空套筒冷開關(guān)冷量傳輸結(jié)構(gòu)與2)中的杜瓦與進行密封裝配；
[0017] 4)將步驟3)的杜瓦與雙制冷機耦合裝配；
[0018] 5)將步驟4)的杜瓦組件進行抽真空，在杜瓦內(nèi)部真空達到IX10 4Pa后，開啟左側(cè) 主制冷機，冷量通過左側(cè)冷開關(guān)7進行傳遞，少部分的制冷量通過右側(cè)的冷開關(guān)內(nèi)筒703、 芯柱9及右側(cè)制冷機的冷指進行傳遞、但是沒有達到冷開關(guān)所需要的80K溫度以及相應(yīng)收 縮率，冷開關(guān)外筒702與冷開關(guān)連接部分701存在間隙將不能閉合，因此，備份制冷機將不 會開啟；
[0019] 5)如果主制冷機不能正常工作，備份制冷機將通過電磁或者其他控制方式開啟， 冷開關(guān)將實現(xiàn)閉合，保證探測器能夠連續(xù)性工作。
[0020] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0021] (1)改雙冷頭設(shè)計為單冷頭雙向設(shè)計，為防止冷頭兩端剛性連接引起的過定位問 題，在冷開關(guān)與雙向冷頭部分采用螺紋連接；
[0022] (2)改進了雙向移位冷開關(guān)的應(yīng)用問題，本發(fā)明中采用了單向冷開關(guān)結(jié)構(gòu)：冷開 關(guān)內(nèi)筒采用膨脹系數(shù)較小的因瓦，冷頭連接部分、冷開關(guān)外筒、冷頭底部結(jié)構(gòu)均采用膨脹系 數(shù)較大的紫銅材料。
[0023] (3)雙支撐以及支撐板裝配結(jié)構(gòu)能夠有效抵消冷鏈、冷頭以及冷開關(guān)在制冷過程 中冷縮效應(yīng)對芯片基板的變形；
[0024] (4)除芯片基板、冷鏈、冷頭、冷開關(guān)外，支撐、支撐板、芯柱、外殼等零件均采用密 度更小、熱導(dǎo)率更低的TC4材料。80K下，TC4的導(dǎo)熱系數(shù)為4. 3W/m·k，而常規(guī)材料柯伐導(dǎo) 熱系數(shù)為l〇W/m·k，采用TC4能夠有效降低固體傳導(dǎo)漏熱；
[0025] 本發(fā)明的對置式雙機備份的紅外探測器杜瓦組件結(jié)構(gòu)應(yīng)用于相關(guān)工程項目中。
【附圖說明】
[0026] 圖1為對置式雙制冷機備份的紅外探測器新型杜瓦組件示意圖。
[0027]圖中：
[0028] 1一支撐
[0029] 2一芯片基板
[0030] 3-探測器安裝板
[0031] 4-芯柱
[0032] 5-冷鏈
[0033] 6-雙向冷頭
[0034] 7-中空套筒冷開關(guān)
[0035] 701-冷開關(guān)連接部分
[0036]702-冷開關(guān)外筒
[0037] 703-冷開關(guān)內(nèi)筒
[0038]704-冷開關(guān)底部結(jié)構(gòu)
[0039] 8-下冷屏
[0040]9一柱殼
[0041] 901-主制冷機柱殼法蘭盤
[0042] 902-備份制