一种空间相机主动制冷真空密封焦面组件的制作方法

本实用新型涉及相机密封装置领域，具体涉及一种空间相机主动制冷真空密封焦面组件。

背景技术：

观测暗弱目标的空间天文相机积分时间长，对探测器噪声抑制的要求很高，一般采用制冷探测器的方式降低探测器暗电流，提高相机信噪比。热电制冷(Thermo-Electric Cooling,TEC)技术是利用帕尔帖效应的一种制冷方法,它不需要任何工质,无活动部件,结构简单,非常适宜于航天相机焦面的制冷应用，但是航天制冷焦面在地面进行测试试验时，制冷焦面温度一般低于环境露点，水汽凝结到低温探测器表面严重影响测试试验效果，甚至可能损坏航天探测器。

为消除凝露凝霜现象，航天相机在地面上测试试验时一般将焦面箱存放在氮气柜中，使焦面内充入氮气，并利用干燥剂吸收水分。但这种方式对于需要长时间进行测试试验的天文相机，水汽会慢慢进入箱体，影响测试效果，并且干燥剂的粉末会污染焦面，不利于航天应用。

传统的航天相机焦面箱一般采用导热性能好的铝合金材料。但对于制冷温度很低的天文相机焦面来说，铝合金的良好导热性会使密封玻璃窗口的温度降低至露点温度以下，使水汽凝结到玻璃窗口上，不利于测试试验，同时铝合金与热电制冷器的热膨胀系数不匹配，会使热电制冷器产生较大的热应力，降低焦面安全性。

技术实现要素：

为解决现有低温焦面水汽凝结的技术问题，本实用新型提供了一种主动制冷、真空密封的空间相机主动制冷真空密封焦面组件，能够将探测器制冷到-60℃以下，有效解决传统相机焦面探测器制冷时的水汽污染问题。

本实用新型所提供的技术解决方案是：

一种空间相机主动制冷真空密封焦面组件，包括焦面箱修切垫片1、压 圈2、真空玻璃窗3、真空焦面箱体4、真空密封接插件7、制冷组件、焦面箱底座10、焦面箱底板11、热管12、中继箱体13、热敏电阻和热电制冷器14；真空焦面箱体4的前端设有入光孔，入光孔之外的边缘设有凸台，真空玻璃窗3通过压圈2密封压紧入光孔，压圈2的前端设置有焦面箱修切垫片1；真空焦面箱体4的侧面设有插件孔；真空焦面箱体4的侧面设有真空抽气接口15和真空度计接口16；制冷组件设置在焦面箱底座10的空腔中；制冷组件包括冷屏窗口5、冷屏6、主动制冷CCD组件8和冷屏底板9；冷屏6的前端设有缺口，冷屏窗口5安装在缺口内；冷屏底板9设有窗口，主动制冷CCD组件8设置在冷屏6和冷屏底板9之间，主动制冷CCD组件8背面安装的热电制冷器14和热敏电阻穿过冷屏底板9的窗口伸出冷屏底板9外，冷屏底板9的背面设有多个热电制冷器14和热敏电阻，主动制冷CCD组件8、热敏电阻和热电制冷器14通过真空焦面箱体4侧面的插件孔与真空密封接插件7连接；制冷组件、焦面箱底座10、焦面箱底板11、热管12均设置在真空焦面箱体4和中继箱体13组成的腔体内；焦面箱底板11设置在焦面箱底座10的后方，焦面箱底板11的背面设置有热管12，采用焦面箱底座10和焦面箱底板11密封真空焦面箱体4后端；真空焦面箱体4和真空玻璃窗3的接触面、真空焦面箱体4和焦面箱底座10的接触面、焦面箱底座10和焦面箱底板11的接触面上均设有密封圈。

进一步地，真空焦面箱体4材料为钛合金。钛合金较低的热传导系数能够有效提高真空玻璃窗口温度，防止水汽凝结到玻璃窗口上。

进一步地，真空密封接插件7截面为跑道形圆截面，真空密封接插件7截面设有橡胶垫17。保证与外界电连接部分的真空密封性。

进一步地，真空焦面箱体4的四周均匀设置有八个凸耳，中继箱体13的四周设置有八个螺钉通孔，所述真空焦面箱体4通过螺钉分别与中继箱体13固定连接。

进一步地，焦面箱底板11采用热膨胀系数可调制的钼铜合金底板。选择与热电制冷器(TEC)材料热膨胀系数匹配的钼铜合金材料作为焦面底板，解决了大温差条件下TEC的热应力问题，满足了航天相机对焦面箱高刚度、高强度和高可靠性的要求。

进一步地，冷屏底板9的背面设有四个热电制冷器14和四个热敏电阻；主动制冷CCD组件8背面安装的热电制冷器14和热敏电阻数量均为两个。

进一步地，真空焦面箱体4与中继箱体13之间设有隔热垫。

进一步地，主动制冷CCD组件8基板为氮化铝陶瓷，感光面外的其他表面镀金处理，减小了辐射换热。

进一步地，冷屏6和冷屏底板9的内外表面均进行镀金处理，焦面箱底板11面向主动制冷CCD组件8的一侧镀金处理，减小了辐射换热。

进一步地，热管12与焦面箱底板11的接触面间涂覆导热硅脂，以减小接触热阻。

本实用新型的优点为：

1.能够将探测器主动制冷到-60℃以下，有效解决传统相机焦面探测器制冷时的水汽污染问题。

2、选择与热电制冷器(TEC)材料热膨胀系数匹配的钼铜合金材料作为焦面底板，解决了大温差条件下TEC的热应力问题，满足了航天相机对焦面箱高刚度、高强度和高可靠性的要求。

3.焦面组件具有主动制冷、真空密封、轻小型化、发射时可拆卸真空密封件等结构特点。

4、本实用新型采用橡胶密封圈对相机焦面CCD/CMOS所在腔体进行了密封，解决了水汽进入焦面腔体对焦面造成污染的问题。

5、本实用新型焦面箱侧壁有真空抽气接口与真空度计接口，可实时显示焦面箱内部气压。

6、本实用新型焦面箱内部的CCD组件外部罩有冷屏，冷屏采用4个小型TEC进行制冷，为内部焦平面创造低温环境，最大限度减少外部空间热辐射对CCD温度的影响。

7、本实用新型中接插件采用跑道形圆截面橡胶垫与焦面箱侧壁接触，保证与外界电连接部分的真空密封性。

8、本实用新型中零件间的子扣结构设计，既满足了焦面箱整体的封闭性，又防止了焦面箱出现电磁泄漏等问题。

9、本实用新型中焦面箱的底板采用钼铜合金材料，与CCD组件中热电 制冷器的材料热膨胀系数一致，保证热电制冷器在大范围温度变化过程中的安全性。

附图说明

图1为相机真空焦面箱整体结构剖视图；

图2为相机真空焦面箱的爆炸图；

图3为真空焦面箱外壳结构示意图；

图4为CCD组件与镀金冷屏结构示意图；

图5为真空密封接插件的结构示意图。

其中附图标记为：1-焦面箱修切垫片，2-压圈，3-真空玻璃窗，4-真空焦面箱体，5-冷屏窗口，6-冷屏，7-真空密封接插件，8-主动制冷CCD组件，9-冷屏底板，10-焦面箱底座，11-焦面箱底板，12-热管，13-中继箱体，14-热电制冷器(TEC)，15-真空抽气接口，16-真空度计接口，17-橡胶垫。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述：

如图1、图2、图3所示，空间相机主动制冷真空密封焦面组件包括焦面箱修切垫片1、压圈2、真空玻璃窗3、真空焦面箱体4、真空密封接插件7、制冷组件、焦面箱底座10、焦面箱底板11、热管12、中继箱体13、热敏电阻和热电制冷器14；真空焦面箱体4的前端设有入光孔，入光孔之外的边缘设有凸台，真空玻璃窗3通过压圈2密封压紧在入光孔外的箱体上，压圈2的前端设置有焦面箱修切垫片1；真空焦面箱体4的侧面设有插件孔；真空焦面箱体4的侧面设有真空抽气接口15和真空度计接口16；制冷组件设置在焦面箱底座10的空腔中；制冷组件包括冷屏窗口5、冷屏6、主动制冷CCD组件8和冷屏底板9；冷屏6的前端设有缺口，冷屏窗口5安装在缺口内，主动制冷CCD组件8设置在冷屏6和冷屏底板9之间；冷屏底板9设有窗口，主动制冷CCD组件8背面安装的热电制冷器14和热敏电阻穿过冷屏底板9窗口伸出冷屏底板9外，冷屏底板9的背面设有多个热电制冷器14和热敏电阻，主动制冷CCD组件8、热敏电阻和热电制冷器14通过真空焦面箱体4侧面的插件孔与两个真空密封接插件7连接。

制冷组件、焦面箱底座10、焦面箱底板11、热管12均设置在真空焦面 箱体4和中继箱体13组成的腔体内；焦面箱底板11设置在焦面箱底座10的后方，焦面箱底板11的背面设置有热管12，采用焦面箱底座10和焦面箱底板11密封真空焦面箱体4后端。真空焦面箱体4和真空玻璃窗3的接触面、真空焦面箱体4和焦面箱底座10的接触面、焦面箱底座10和焦面箱底板11的接触面上均设有密封圈。

真空焦面箱体4前端与相机后光学系统法兰连接，采用翻边设计，防止杂光进入焦面，采用真空玻璃窗3密封真空焦面箱体4前端入光孔，采用焦面箱底座10和钼铜合金焦面箱底板11密封真空焦面箱体4后端，钼铜合金焦面箱底板11上安装主动制冷CCD组件8，背部利用安装热管12，将CCD组件的热量输送出去，真空焦面箱体4与中继箱体13利用螺钉和隔热垫连接，中继箱体13与后端焦面电子学组件连接。CCD组件由两个二级TEC制冷，CCD组件外罩低温冷屏6。

焦面箱修切垫片1位于真空焦面箱体4前端和后光学系统之间，焦面箱修切垫片1利用隔热材料制作，可以对焦面箱对于光轴的垂直度以及焦面箱对于后光学系统的距离进行修切，又可以隔绝前面板的热量传递到真空焦面箱上。

真空玻璃窗3的厚度经过分析计算，真空玻璃窗3的厚度为8㎜，直径为40㎜，既能保证光学焦面正确位置，又能保证在大气压力下的面形，真空玻璃窗3采用压圈2安装在真空焦面箱体4前端。利用橡胶垫获得密封效果。

主动制冷CCD组件8基板为氮化铝陶瓷，除感光面外，CCD组件其他表面镀金处理。CCD组件基板上表面靠近读出区粘贴2个热敏电阻，用于监测和控制CCD温度。CCD柔性电缆与真空密封接插件7连接，CCD基板背部采用两个TEC主动制冷，保证CCD运行过程中的温度。

如图4所示，镀金冷屏6和镀金冷屏底板9，采用热导率较高的铝合金制作，为了减小辐射换热，其内外表面均进行镀金处理，冷屏底板9采用对称接插式设计，左半边和右半边从左右两边插入主动制冷CCD组件8，避开TEC。冷屏底板9通过螺钉与冷屏6连接，采用4个TEC制冷为CCD建造低温辐射环境，冷屏6表面对应4个TEC位置处各粘贴一个热敏电阻。冷屏窗口5与CCD感光面对应，为长方体窗口。

钼铜合金底板11面向CCD一侧镀金，内表面为6个TEC的热端安装面，通过GD-414C黑色硅橡胶将TEC粘贴于TEC基板内表面，并通过12个螺钉与焦面箱底座10连接，以橡胶垫实现真空密封。焦面箱底板11外表面为热管12蒸发端安装面，两根热管通过12个安装孔与焦面箱底板11背面连接，接触面间涂覆导热硅脂，以减小接触热阻。

真空焦面箱体4由钛合金一体成型加工制作，与后光学系统间采用钛合金螺钉安装固定，通过12个镙钉连接。焦面箱体两个侧面安装有2个密封接插件，分别利用柔性电缆连接CCD和TEC，另外两个侧面分别为真空抽气接口15和真空度计接口16。

如图5所示，真空密封接插件7表面加工环形凹槽，嵌入跑道形圆截面橡胶垫17，与真空焦面箱体4安装以获得真空密封效果。