一種雙制冷且互為備份的冷量傳輸結構的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種雙制冷且互為備份的冷量傳輸結構，結構中的冷開關內筒采用因瓦材料，其余采用紫銅材料。冷開關底部結構與冷開關內筒、外筒以及中空套筒式連接部分均采用高精度裝配釬焊方式，需保證外筒與連接部分、外筒與雙向冷頭之間均留有0.2mm?0.6mm間隙。中空套筒式冷開關與雙向冷頭通過螺紋連接，主制冷機與備份制冷機呈左右對置式布置。主制冷機開啟，冷量通過主制冷機冷開關傳遞，少部分冷量通過備份的冷開關內筒、芯柱及備份制冷機的冷指傳遞，但沒有達到備份中空套筒式冷開關所需要的溫度以及相應收縮率，備份外筒與連接部分存在間隙將不能閉合，反之亦然，保證探測器能夠連續工作。本專利提高了空間紅外探測器組件應用的可靠性。
【專利說明】
一種雙制冷且互為備份的冷量傳輸結構
技術領域
[0001] 本專利涉及紅外探測器組件技術，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構，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】
[0002] 紅外探測器杜瓦組件在航天紅外領域有著廣泛的應用。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構緊湊、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點，目前該類探測器在空間應 用中大多采用機械制冷方式。這樣也使得其在應用時大多采用杜瓦封裝形成紅外探測器杜 瓦組件。
[0003] 傳統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 損等因素會導致制冷機效率降低，使得制冷機能提供的制冷量下降。當冷量無法滿足探測 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。現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，這兩點增加設計復雜程度和研制成本;2)制冷機是紅外探測器組件空間 應用的關鍵部件，空間應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。
【發明內容】
[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 傳輸結構，解決傳統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 障而導致儀器癱瘓的概率，提高空間用紅外探測器組件空間應用的可靠性。
[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構及實 現方法，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7、冷開關連接部分701、冷開關外筒702、冷開關內筒703、冷開關底部結 構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與冷開關通過冷開關底部結構704的外螺紋進行連接。中空套筒式冷開 關7與芯柱4進行釬焊。冷開關各零件除冷開關內筒703采用因瓦材料外，其余均采用紫銅材 料。冷開關底部結構704與冷開關內筒703、外筒702以及冷開關連接部分701均采用高精度 裝配及釬焊方式，需要保證冷開關外筒702與冷開關底部結構704、冷開關外筒702與雙向冷 頭6之間均留有0.2mm-0.6mm間隙。下冷屏8通過螺釘固定在探測器安裝板3的兩側。支撐1、 探測器安裝板3、芯柱4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到 杜瓦芯柱9及冷開關底部結構704，由于冷開關外筒702和內筒703的材質分別為紫銅和因瓦，二 者在80K低溫時熱導率及線膨脹系數存在較大差異，導致冷開關外筒702收縮性比內筒703大， 冷開關外筒702與內筒703之間將會閉合，這樣就能使內筒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不一致，經
其中α，β 分別為紫銅和因瓦的熱膨脹系數，Δ Li = a*Li* Δ Τ，Δ Li = P*L2* Δ Τ，推算Δ L= Δ Li-Δ L2 = C^L1* Δ T_f3*L2* Δ T，得出為0 · 2mm，其中為保證間隙可控及接觸時良好的導熱性能，間隙控 制在0.2-0.6mm，因瓦材料的套筒冷開關內筒703及紫銅材料的套筒冷開關外筒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] 中空套筒式冷開關閉合和斷開時的原理如圖3、4所示，其中，則、1?4、1?5、1?8分別為 冷開關的底部結構、外筒、內筒、連接部分本身的熱阻，而R2、R3、R6、R7、R9分別為接觸熱阻。 中空套筒式冷開關的斷開熱阻：
[0009 ] R〇ff = R1+R3+R5+R7+R8+R9 j
[0010]中空套筒式冷開關的閉合熱阻：
[0011]
[0012] 中空套筒式冷量傳輸結構的性能要求決定了在其裝配過程中要求保證較高的精 度和力學性能，在芯柱軸向方向的過定位消除采用套筒式冷開關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] 本專利的實現方法如下：
[0014] 1)完成中空套筒冷開關冷量傳輸結構的焊接與裝配；
[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)中中空套筒冷開關冷量傳輸結構與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，在杜瓦內部真空達到I X HT4Pa后，開啟左側 主制冷機，冷量通過左側冷開關7進行傳遞，少部分的制冷量通過右側的冷開關內筒703、芯 柱9及右側制冷機的冷指進行傳遞、但是沒有達到冷開關所需要的80K溫度以及相應收縮 率，冷開關外筒702與冷開關連接部分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， 冷開關將實現閉合，保證探測器能夠連續性工作。
[0020] 本專利具有以下優點：
[0021] (1)改雙冷頭設計為單冷頭雙向設計，為防止冷頭兩端剛性連接引起的過定位問 題，在冷開關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的應用問題，本專利中采用了單向冷開關結構:冷開關 內筒采用膨脹系數較小的因瓦，冷頭連接部分、冷開關外筒、冷頭底部結構均采用膨脹系數 較大的紫銅材料。
[0023] (3)雙支撐以及支撐板裝配結構能夠有效抵消冷鏈、冷頭以及冷開關在制冷過程 中冷縮效應對芯片基板的變形；
[0024] (4)除芯片基板、冷鏈、冷頭、冷開關外，支撐、支撐板、芯柱、外殼等零件均采用密 度更小、熱導率更低的TC4材料。80K下，TC4的導熱系數為4.3W/m · k，而常規材料柯伐導熱 系數為l〇W/m · k，采用TC4能夠有效降低固體傳導漏熱；
[0025] 本專利的對置式雙機備份的紅外探測器杜瓦組件結構應用于相關工程項目中。
【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-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
[0035] 701-冷開關連接部分
[0036] 7〇2-冷開關外筒
[0037] 703一冷開關內筒
[0038] 704-冷開關底部結構
[0039] 8-下冷屏
[0040] 9 一柱殼
[0041 ] 901-主制冷機柱殼法蘭盤
[0042] 902-備份制冷機柱殼法蘭盤
[0043]圖2中空套筒式冷開關原理示意圖。
[0044] 圖中：
[0045] Ll-中空套筒式冷開關內筒長度
[0046] L2-中空套筒式冷開關內筒底面到外筒內表面長度 [0047]圖3冷開關閉合原理示意圖。
[0048]圖中：
[0049] Rl-冷開關的底部結構熱阻
[0050] R2-中空套筒式冷開關底部結構與外筒的接觸熱阻
[0051] R3-中空套筒式冷開關底部結構與內筒的接觸熱阻
[0052] R4-中空套筒式冷開關外筒熱阻
[0053] R5-中空套筒式冷開關內筒熱阻
[0054] R6-中空套筒式冷開關外筒與連接部分熱阻
[0055] R7-中空套筒式冷開關內筒與連接部分熱阻 [0056] R8-中空套筒式冷開關連接部分本身的熱阻 [0057] R9-中空套筒式冷開關連接部分與雙向冷頭的接觸熱阻 [0058] 圖4冷開關斷開原理示意圖。
【具體實施方式】
[0059] 下面結合附圖對本專利的【具體實施方式】作進一步的詳細說明：
[0060] 本實施例為4-512 X 512大面陣的紅外探測器杜瓦組件結構，其主要實施方法如 下：
[0061] 本專利涉及的雙制冷且互為備份的冷量傳輸結構，主要結構由支撐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7、冷開關連接部分701、冷開關 外筒702、冷開關內筒703、冷開關底部結構704、下冷屏8、柱殼9等組成。
[0062] 制冷機在工作時將制冷量通過制冷機冷指傳輸到杜瓦芯柱4及冷開關底部結構 703,由于冷開關外筒702和冷開關內筒703的材質分別為紫銅和因瓦，二者在80K低溫時熱 導率及線膨脹系數存在較大差異，導致冷開關外筒702收縮性比內筒703大，冷開關外筒702 與內筒703之間將會閉合，這樣就能使內筒703與外筒702同時與雙向冷頭6進行緊密接觸， 為探測器正常工作提供了冷量。少部分的制冷量通過右側的冷開關內筒703、芯柱4及右側 制冷機的冷指進行傳遞，但是沒有達到冷開關7所需要的80K溫度以及相應收縮率，冷開關 外筒703與冷開關連接部分701存在間隙將不能閉合，因此，右側的制冷機將不會開啟。如果 左側的制冷機不能正常工作，右側的制冷機將通過電磁或者其他控制方式開啟，冷開關7將 實現閉合，保證探測器能夠連續性工作。
[0063]其【具體實施方式】為：
[0064] 1)芯片基板7采用因瓦材料，具有更小的熱膨脹系數，可以有效降低熱失配對芯片 模塊性能的影響。芯片模塊在芯片基板2上完成拼接后，將濾光片支架與芯片基板進行對中 裝配，之后將芯片基板7螺接在探測器安裝板3上，探測器安裝板3與支撐1進行反向螺接，支 撐1與杜瓦蓋板采用螺接方式，
[0065] 2)芯片基板2與冷鏈5采用螺接方式。冷鏈5與雙向冷頭6均采用紫銅材料，二者通 過釬焊連接。雙向冷頭5與冷開關7通過冷開關連接部分701的外螺紋進行連接。
[0066] 3)冷開關7與芯柱4進行釬焊。冷開關7結構剖面圖2所示，冷開關7各零件除冷開關 內筒703采用因瓦材料外，其余均采用紫銅材料。冷開關底部結構704與冷開關內筒703、外 筒702以及冷開關連接部分701均采用高精度裝配及釬焊方式，需要保證冷開關外筒703與 冷開關連接部分701、冷開關外筒702與雙向冷頭6之間均留有0.2mm間隙，以實現制冷機降 溫時冷開關能閉合。
[0067] 4)下冷屏8通過螺釘固定在探測器安裝板3的兩側，有效降低冷開關7及雙向冷頭 6的輻射漏熱。
[0068] 5)杜瓦在完成封裝后，分別將主副制冷機呈共線對置式布置，并將其冷指分別插 入杜瓦兩側的芯柱4中。
[0069] 根據冷開關的斷開熱阻Rcif f = Ri+fc+Rs+RY+Rs+Rg，其閉合熱阻的計算公式為
其中Ri分別為其固體傳導漏熱，以 及接觸熱阻，經過優化計算得出冷開關的性能能達到lw/k，絕熱lw@50k。
[0070]以上就完成了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 構一一中空套筒式冷開關，來解決傳統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致儀器癱瘓的概率，提高空間用紅外探測器組件空間應用的可靠 性。
【主權項】
1. 一種雙制冷且互為備份的冷量傳輸結構，它包括:支撐（I)、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(7)、冷開關連接部分(701)、冷 開關外筒(702)、冷開關內筒(703)、冷開關底部結構(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： 雙向冷頭(6)與冷開關通過冷開關連接部分(701)的外螺紋進行連接，中空套筒式冷開 關(7)與芯柱(4)進行釬焊，中空套筒式冷開關各零件除冷開關內筒(703)采用因瓦材料外， 其余均采用紫銅材料，冷開關底部結構(704)與冷開關內筒(703)、冷開關外筒(702)以及冷 開關連接部分(701)均采用高精度裝配及釬焊方式，需要保證冷開關外筒(702)與冷開關連 接部分(701)、冷開關外筒(702)與雙向冷頭(6)之間均留有0.2mm-0.6mm間隙；下冷屏(8)通 過螺釘固定在探測器安裝板(3)的兩側，支撐（1)、探測器安裝板(3)、芯柱(4)均采用TC4材 料，芯柱(4)與柱殼(9)之間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)通過釬焊焊接在柱殼(9)上。
【文檔編號】G01J5/02GK205537975SQ201520978964
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月1日
【發明人】陳俊林, 沈璋, 沈一璋, 王小坤, 李俊, 孫聞, 郝振貽
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所