一种热电制冷器柔性安装结构的制作方法

本发明涉及应用于空间光学测量类单机探测器的散热技术，具体涉及一种热电制冷器柔性安装结构。

背景技术：

空间光学测量类单机，性能往往受轨道热环境影响，尤其是因太阳辐射、地球红外辐射等因素导致温度升高时，探测器的图像噪声相应增大，严重影响成像质量。因此很多空间光电产品，都采用基于热电制冷器的主动控温技术，以降低暗电流噪声，提高系统的信噪比。就目前热电制冷器的性能而言，可满足大多数产品的应用需求，但是如果没有行之有效的安装方式，势必影响热电制冷器的工作效率。另一方面，制冷器工作时会形成的较大的温度梯度，必然造成制冷器附近存在较大的热应力；制冷器由陶瓷板和半导体电偶对组成，受压后易碎，在恶劣情况下，热应力可能对制冷器造成物理损伤，导致其失效。

制冷器的安装方式主要有机械安装、焊接安装和胶接安装。从已公开的文献看，以胶接的安装方式居多。如凤良杰等在《宇航学报》(2014，35<10>:1218-1222)上发表论文《空间天文望远镜主动制冷焦面结构设计、分析与热实验》，采用的是制冷器两面胶接的方法，并专门分析了胶层的热应力。另一方面，关于柔性支撑的研究，主要出现在空间光学遥感器的透镜安装上，如马磊等在《光电工程》(2015，42<5>:88-94)上发表论文《大口径透镜多点柔性支撑结构设计与分析》，给出一种柔性支撑结构，用于减小透镜自重和热载荷对透镜面形的影响。该设计主要用于透镜的安装，但可以为制冷器的安装提供一种新的思路。从制冷器安装结构本身、装配工艺等方面，均可以有较大的优化空间，以更好满足空间光电产品的实际应用需求。

技术实现要素：

本发明提供一种热电制冷器柔性安装结构，实现制冷器的高可靠安装，避免热应力对制冷器造成损伤，同时可保证制冷器较高的散热效率。

为实现上述目的，本发明提供一种热电制冷器柔性安装结构，其特点是，该结构包含：

散热架；

制冷器，其设置在散热架上；

器件托架，其设置在制冷器和散热架上，器件托架与散热架通过连接机构机械连接并可相向运动，器件托架与散热架相向运动向制冷器施加压应力，从而将制冷器夹紧固定在器件托架与散热架之间；

制冷器的热端与散热架接触，冷端与器件托架接触。

上述器件托架设有环绕其边缘设置的若干耳片，每个耳片与散热架对应设有螺纹孔及串设在螺纹孔中的螺钉，器件托架与散热架通过螺钉机械连接，并随着螺钉旋进带动器件托架与散热架相向运动。

上述散热架为圆蝶式结构，散热架设有环绕其周向排布的若干散热槽，每个散热槽沿散热架的径向设置。

上述散热架为圆蝶式结构，散热架设有若干沿其周向设置的环形的散热槽。

上述器件托架与连接机构连接处的上下表面都设有隔热垫圈。

上述制冷器的冷端与器件托架的接触处涂覆有导热硅脂并紧配合。

如权利要求1所述的热电制冷器柔性安装结构，其特征在于，所述制冷器与散热架通过焊接方式固定连接。

如权利要求1或2所述的热电制冷器柔性安装结构，其特征在于，所述制冷器与器件托架之间连接机构的预紧力小于制冷器允许的最大压应力。

如权利要求8所述的热电制冷器柔性安装结构，其特征在于，所述连接机构的预紧力F以式(1)获得：

F＝nσA×60％ (1)

式(1)中，制冷器中单个热电偶的横截面积为A，热电偶的总数为n，制冷器允许的最大压应力F_max＝nσA。

本发明一种热电制冷器柔性安装结构和现有技术的制冷器安装机构相比，本发明通过量化器件托架和散热架之间安装螺钉的预紧力，控制制冷器装配后所受的压力，保证制冷器安装的可靠性，且安装工艺的一致性好；

本发明通过散热架的散热槽实现其柔性设计，释放不同零件材料热膨胀系数不匹配及温度变化导致的热应力，避免制冷器工作过程中因热冲击导致的物理损伤；

本发明结构安装方式可保证各零件接触良好，有效减小接触热阻，提高制冷器的工作效率。

附图说明

图1为本发明热电制冷器柔性安装结构的爆炸图；

图2为本发明热电制冷器柔性安装结构的结构示意图；

图3为本发明热电制冷器柔性安装结构的剖视图；

图4为本发明热电制冷器柔性安装结构的散热架的仰视图；

图5为本发明热电制冷器柔性安装结构的散热架的侧视图；

图6为本发明热电制冷器柔性安装结构的散热架的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1并结合图2和图3所示，为一种热电制冷器柔性安装结构的实施例，该结构包含：器件托架110、制冷器120、散热架130、螺钉140、隔热垫圈150和锁紧螺母160。

散热架130采用圆蝶式结构，其中央设有用于放置制冷器120的凸台，环绕其边缘设有四个圆柱形螺孔座131，圆柱形螺孔座131顶端设有螺纹孔。

制冷器120设置在散热架130的凸台上，制冷器120的热端与散热架130通过焊接方式固定连接，安装后形成不可拆卸的整体，保证热力学环境下制冷器安装的稳定性，减小两者之间的热阻。

冷端与器件托架110接触，制冷器120的冷端与器件托架110的接触处涂覆有导热硅脂并紧配合。

器件托架110设置在制冷器120和散热架130上。器件托架110的上方安装有探测器，并可根据不同探测器的尺寸适当调整器件托架110的结构。

器件托架110中部设有与制冷器120本体对应设置的方形槽，用于将制冷器120嵌设在该方形槽中以辅助固定制冷器120。器件托架110还设有环绕其边缘设置的四个耳片111，每个耳片111靠近外端部设有螺纹孔，四个耳片111分别与散热架130上的四个圆柱形螺孔座131一一对应设置。

每个耳片111的螺纹孔与其对应圆柱形螺孔座131的螺纹孔对应设置，螺钉140串设在耳片111与圆柱形螺孔座131的螺纹孔中，该螺钉140采用力矩扳手拧紧安装在耳片111的螺纹孔中。每个耳片111的螺纹孔处的上下面都设有隔热垫圈150，螺钉140头部与耳片111上面的隔热垫圈150相抵，耳片111下面的隔热垫圈150与圆柱形螺孔座131之间还设有锁紧螺母160，螺钉140由耳片111上部进入，依次经过耳片111上面的隔热垫圈150、耳片111的螺纹孔、耳片111下面的隔热垫圈150、锁紧螺母160串设入圆柱形螺孔座131的螺纹孔。隔热垫圈150用于防止热量经螺钉140回流到器件托架110上，锁紧螺母160用于紧固隔热垫圈150和耳片111，保证振动载荷下，安装耳片111不发生位移。

螺钉140由锁紧螺母160控制旋进时，带动器件托架110与散热架130之间相向运动。使器件托架110与散热架130相向运动向制冷器120施加压应力，从而将制冷器120夹紧固定在器件托架110与散热架130之间。这里，制冷器与器件托架之间螺钉140的预紧力应小于制冷器120允许的最大压应力。

可根据制冷器120中所能承受的最大压应力，量化确定螺钉140的预紧力，保证制冷器120装配过程及其初始装配环节的安全可靠。

设制冷器120中半导体电偶所能承受的压应力为σ，由制冷器120的手册可查得制冷器120中单个热电偶的横截面积A，及热电偶的总数n，则该制冷器120允许的最大压应力F_max＝nσA。实际安装时，取该值的60％，获取螺钉140的预紧力。则连接机构的预紧力F以式(1)获得：

F＝nσA×60％ (1)

式(1)中，制冷器中单个热电偶的横截面积为A，热电偶的总数为n，制冷器允许的最大压应力F_max＝nσA。

进一步的，器件托架110和散热架130之间设有X个连接机构，所以每颗螺钉的预紧力F₀如式(2)：

由于本实施例中，连接结构采用四颗螺钉140紧固，所以每颗螺钉的预紧力通过限制螺钉140的预紧力，可保证制冷器120不会在安装过程中因施力不当而损坏。

如图4并结合图5、图6所示，为散热架130的结构示意图。散热架130采用圆碟式结构，使得制冷器120热端的热量向下传递时，热流分布均匀，热应力分布也相应均匀。

散热架130在其凸台外圈设有环绕散热架130周向排布的若干径向散热槽132，每个径向散热槽132为条状槽，沿散热架130的径向设置。

另外，散热架130设有若干沿其周向设置的环形的若干周向散热槽133。若干周向散热槽133以散热架130的中心同心设置。

散热架130的径向散热槽132和周向散热槽133的开槽尺寸、数量可适当调整。通过该径向散热槽132和周向散热槽133的设计，进一步减小散热架130的刚度，也可按相反方式增加刚度。通过周向和径向开槽的设计，实现释放结构因温度变化产生的热应力。

在本发明热电制冷器柔性安装结构组装完成后，将散热架130与外接的热沉通过螺钉紧固。当制冷器120工作时，热量自上而下传递，器件托架110、制冷器120和散热架130因温度变化产生的热应力，通过散热架130的均匀变形释放，保证制冷器120安装的可靠性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。