一种用于深低温场景数百瓦制冷功率的电阻阵列冷却装置的制作方法

本发明公开了一种用于深低温场景数百瓦制冷功率的电阻阵列冷却装置，装置同时满足电阻阵列芯片的100k的深低温背景需求和500w以下的大功率制冷需求，适用于大功率电阻阵列芯片。

背景技术：

动态红外场景模拟系统在实验室模拟红外目标，测试红外寻的、伪装等系统的重要工具，大功率电阻阵列器件是其中的核心部件之一。这种器件对电阻阵列像元施加电压以加热像元，通过施加不同大小的电压以控制像元向外辐射的强弱不等的红外信号，综合所有像元模拟目标的红外辐射特征。随着电阻阵列技术的不断发展，其阵列规模越来越大，应用场景也越来越广泛。随着模拟目标的多样化，目标甚至对大功率电阻阵列工作背景温度也提出了严苛的要求，例如峰值功率500w的电阻阵列在满功耗情况下其工作背景温度不超过100k。

目前广泛应用的动态红外场景模拟系统工作温度通常在-30℃附近，制冷方式以机械制冷机制冷为主，其性能远不能达到100k深低温背景下数百瓦制冷功率的要求。为了保证背景温度保持在100k左右，避免水汽与结霜对芯片性能产生影响，需要将电阻阵列芯片置于真空环境中。另外，大功率加热器件与制冷面之间存在巨大的热应力，低温下材料的热失配也是一个亟待解决的问题。

为解决以上问题，本发明提出了一种用于深低温场景数百瓦制冷功率的电阻阵列冷却装置，装置内部提供真空环境，利用液氮作为循环冷却剂。装置采用螺钉连接结构，主要构件间采用激光焊接方式进行连接，结构可靠性高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可实现数百瓦制冷量并能稳定工作在100k左右深低温的制冷装置，它适用于深低温背景下大功率电阻阵列的冷却，也可通过更换不同种类的循环冷却剂，满足不同温区、不同功率其他芯片的制冷需求。该装置主要解决了以下几个问题：第一、深低温大功率芯片的制冷问题，在采用液氮作为冷却介质的情况下可以实现100k左右的制冷温度；第二、深低温大功率工况下加热芯片与冷却装置之间的热应力较大，通过选取合适的材料，大大降低了不同材料间的热应力，保证了装置工作的可靠性。

本发明的一种用于深低温场景数百瓦制冷功率的电阻阵列冷却装置结构如图1所示，包括芯柱1、外壳2、管帽固定螺钉3、管帽4、窗口固定支架5、光学窗口6、窗口支架固定螺钉7、窗口密封圈8、电阻阵列芯片9、换热装置10和芯柱密封圈11。

芯柱1选用304l不锈钢材料。外壳2、管帽4、窗口固定支架5采用柯伐合金材料。窗口密封圈8、芯柱密封圈11和环形密封圈203选用聚四氟乙烯材料。

芯柱1机加工成薄壁，薄壁厚度为0.15-0.2mm，长度为40-60mm；在薄壁底部采用环形结构以连接外壳2，底部厚度3-5mm；环形结构底面有用于安装芯柱密封圈11的槽道。芯柱1与外壳2通过焊接连接。

外壳2如图3所示。壳体201与真空插座202通过焊接连接。于外壳2与管帽4定位安装的面上环形槽道205中放置环形密封圈203，其上放置管帽4，并使外壳2上的8个φ1.8的通孔204与管帽4上的8个m1.6螺孔403一一对应，使用8根管帽固定螺钉3螺接。

管帽4如图4所示。其侧面开一直径为8mm、用于焊接抽气铜管402的通孔。管帽4上的环形槽内安放窗口密封圈8，并与其上依次放置光学窗口6、窗口固定支架5，利用4个m1.6窗口支架固定螺钉7对应穿过窗口固定支架5上的φ1.8通孔501并与管帽4上的4个m1.6螺孔404螺接。

换热装置10如图5所示。换热装置10由进出液管1001、换热装置底板1002、换热室1003三部分组成，其中换热室1003采用钼，换热装置底板1002采用柯伐合金，进出液管1001采用无氧铜。换热室1003中有98个按2.0mm×2.0mm阵列排布的扰流柱1004，每个扰流柱大小为2.0mm(长)×2.0mm(宽)×5.0mm(高)。进出液管1001与换热装置底板1002焊接连接，换热室1003与换热装置底板1002焊接连接，其整体换热装置10与芯柱1焊接密封并固定。

电阻阵列芯片9与换热室1003焊接连接，电阻阵列芯片9与外壳2上的真空插座202电学连接在一起。

本发明的优点在于，采用本发明的方案制作、组装的制冷装置，可以满足功率在500w以下的大功率电阻阵列芯片在100k深低温环境下的制冷需求，同时装置可靠性高，不会出现材料间热失配现象。

附图说明

图1为制冷装置剖面图；

1-芯柱、2-外壳、3-管帽固定螺钉、4-管帽、5-窗口固定支架、6-光学窗口、7-窗口支架固定螺钉、8-窗口密封圈、9-电阻阵列芯片、10-换热装置、11-芯柱密封圈。

图2为制冷装置爆炸图；

1-芯柱、201-壳体、202-真空插座、203-环形密封圈、3-管帽固定螺钉、401-管帽、402-抽气铜管、5-窗口固定支架、501-φ1.8通孔、6-光学窗口、7-窗口支架固定螺钉、8-窗口密封圈、9-电阻阵列芯片、1001-进出液管、1002-换热装置底板、1003-换热室、11-芯柱密封圈。

图3管帽结构示意图，其中图(1)是管帽的俯视图，图(2)是管帽的剖面图，图(3)是管帽的仰视图；

401-管帽、402-抽气铜管、403-m1.6螺孔、404-m1.6螺孔、405-通光区、406-定位面。

图4为外壳结构示意图，其中图(1)是外壳的俯视图，图(2)是外壳的主视图；

201-壳体、202-真空插座、204-φ1.8通孔、205-环形槽道。

图5换热装置结构示意图；

1001-进出液管、1002-换热装置底板、1003-换热室、1004-扰流柱。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明，但是不作为本发明的限定。

1.各零部件的制作与准备

a)芯柱1选用304l不锈钢进行加工。芯柱1的外形尺寸φ90mm×50mm(高)，薄壁厚度为0.15mm。芯柱1底部设置内径为78mm、外径为82mm、深度为1.2mm的环形凹槽。底部外侧8个φ2.5的通孔用于装置的安装固定，其圆心均匀分布在圆心为芯柱底面中心、直径为83.5mm的圆上。加工时各平面的平面度要求优于0.01mm，光洁度优于0.8。

b)外壳2采用柯伐合金加工。在外壳上表面加工8个φ1.8的通孔204，其均匀分布在圆心为上表面中心、直径为126mm的圆上。另外，外壳2上表面设置内径为118mm、外径为122mm、深度为1.2的环形凹槽。壳体201与真空插座202、芯柱1与外壳2均通过激光焊接固定并密封。

c)管帽4采用柯伐合金进行加工。在管帽4的下侧加工m1.6的螺孔8个，其圆心均匀分布在圆心为管帽底面中心、直径为126mm的圆上。管帽4侧面开一个直径为8mm的通孔，通过真空钎焊固定并密封抽气铜管402。在管帽4上方根据光学窗口6的尺寸加工通光区405和定位面406，定位面的宽度1.0-2.0mm，定位面406距离上表面的距离为2.0mm。在管帽4光学窗口外侧加工4个m1.6螺孔403，其均匀分布在圆心为管帽中心，直径为46.4mm的圆上。

d)换热装置10的换热室1003用钼加工，换热装置底板1002用柯伐合金加工，进出液管1001用无氧铜加工。各零件加工完成后，换热装置底板1002与进出液管1001采用真空钎焊完成密封固定和密封，换热室1003与换热装置底板采用激光焊接工艺完成固定和密封。整体焊接完成后，换热装置底板1002与芯柱1通过激光焊接工艺完成固定与密封。

2.装配及密封工艺

a)用高导热银浆或低温金属焊料将电阻阵列芯片9固定在换热室1003上。电阻阵列芯片9与外壳2上的真空插座202通过超声波键合的工艺电学链接在一起。

b)将环形密封圈203、管帽4依次置于外壳2上方并配合完毕，使环形密封圈203位于环形凹槽205内，使用8个m1.6的管帽固定螺钉3穿过外壳2上的φ1.8通孔204并与管帽4上的m1.6螺孔403接触。然后旋紧管帽固定螺钉3，旋紧力矩为3-8cn.m。

c)将窗口密封圈8、光学窗口6、窗口固定支架5依次置于管帽4上方并配合完毕，使窗口密封圈8位于管帽4的上侧的凹槽内，光学窗口6平放于安装面406上，使用4个m1.6的窗口支架固定螺钉7穿过窗口固定支架5上的φ1.8通孔并与管帽4上的m1.6螺孔404接触。然后旋紧窗口支架固定螺钉7，旋紧力矩为3-8cn.m。

d)反向操作上述步骤就可以分离各个零件。