一种双制冷且互为备份的冷量传输结构及实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及红外探测器组件技术，具体是指一种用于红外探测器杜瓦组件的双制 冷且互为备份的冷量传输结构及实现方法，它适用于大面阵红外焦平面探测器组件封装， 同样适用于其它低温元件的真空组件封装。
【背景技术】
[0002] 红外探测器杜瓦组件在航天红外领域有着广泛的应用。随着波长向长波扩展和探 测灵敏度的提高，红外探测器必须在低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积 小、重量轻、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在空间应 用中大多采用机械制冷方式。这样也使得其在应用时大多采用杜瓦封装形成红外探测器杜 瓦组件。
[0003] 传统的红外探测器组件多采用单制冷模式，红外探测器杜瓦组件匹配一台制冷 机。在空间应用时存在如下问题：1)制冷机在空间运行一段时间后，由于微泄露、污染或磨 损等因素会导致制冷机效率降低，使得制冷机能提供的制冷量下降。当冷量无法满足探测 器深低温工作的要求时，红外探测器就无法工作在所必须的温度点，使得探测器的性能衰 退甚至丧失，从而使得高空间分辨率红外遥感仪器瘫痪。现有的处理方式是在项目策划初 期，充分考虑制冷能力衰减的余量，提高制冷机早期能提供的制冷量，来克服此问题。但其 带来的后果是寿命末期，需要提供制冷机更大功空间耗。这就仪器和仪器平台空间散热也 提出更高的要求，这两点增加设计复杂程度和研制成本；2)制冷机是红外探测器组件空间 应用的关键部件，空间应用的特殊性决定了其不可维修或更换，一旦失效，红外探测器无法 工作，空间仪器就瘫痪。
【发明内容】
[0004] 本专利的目的是提供一种用于红外探测器杜瓦组件的双制冷且互为备份的冷量 传输结构及实现方法，来解决传统的航天用红外探测器杜瓦组件在轨寿命末期功耗增大问 题和制冷机故障而导致仪器瘫痪的概率，提高空间用红外探测器组件空间应用的可靠性。
[0005] 本专利一种用于红外探测器杜瓦组件的双制冷且互为备份的冷量传输结构及实 现方法，如附图1所示，它包括：支撑1、芯片基板2、探测器安装板3、芯柱4、冷链5、双向冷 头6、中空套筒冷开关7、冷开关连接部分701、冷开关外筒702、冷开关内筒703、冷开关底部 结构704、下冷屏8、柱壳9、主制冷机柱壳法兰盘901、备份制冷机柱壳法兰盘902,其特征在 于：
[0006] 双向冷头6与冷开关通过冷开关连接部分704的外螺纹进行连接。中空套筒式冷 开关7与芯柱4进行钎焊。冷开关各零件除冷开关内筒703采用因瓦材料外，其余均采用 紫铜材料。冷开关底部结构704与冷开关内筒703、外筒702以及冷开关连接部分701均 采用高精度装配及钎焊方式，需要保证冷开关外筒702与冷开关连接部分704、冷开关外筒 702与双向冷头6之间均留有0. 2mm-0. 6_间隙。下冷屏8通过螺钉固定在探测器安装板 3的两侧。支撑、支撑板、芯柱、外壳等零件均采用TC4材料，芯柱4与柱壳9均采用激光焊 接方式密封连接，主制冷机法兰盘（901)和备份制冷机法兰盘（902)钎焊在焊在柱壳（9) 上。将主制冷机与主制冷机法兰盘901螺接，备份制冷机与备份制冷机法兰盘902螺接，并 呈左右对置式布置。
[0007] 中空套筒式冷开关原理如图2所示，制冷机在工作时将制冷量通过制冷机冷指 传输到杜瓦芯柱9及冷开关底部结构704,由于冷开关外筒702和内筒703的材质分别 为紫铜和因瓦，二者在80K低温时热导率及线膨胀系数存在较大差异，导致冷开关外筒 702收缩性比内筒703大，冷开关外筒702与内筒703之间将会闭合，这样就能使内筒 703与外筒702同时与双向冷头3进行紧密接触。由于紫铜和因瓦热膨胀系数不一致， 经
，其中α，β分别为紫铜和因瓦的热膨胀系数，AL1 = α*1^*ΔΤ，ΔΙ^=β*L2*ΔT，推算ΔL=ΔL「ΔL2=α*1^*ΔΤ-β*L2*ΔT，得出为 0· 2mm， 其中为保证间隙可控及接触时良好的导热性能，间隙控制在〇. 2-0. 6_，因瓦材料的套筒冷 开关内筒703及紫铜材料的套筒冷开关外筒702之间的间隙两端分别采用磁控溅射的方法 镀0· 1mm的铟。
[0008] 中空套筒式冷开关闭合和断开时的原理如图3、4所示，其中，Rl、R4、R5、R8分别 为冷开关的底部结构、外筒、内筒、连接部分本身的热阻，而R2、R3、R6、R7、R9分别为接触热 阻。中空套筒式冷开关的断开热阻：
[0009] 1?。^=Ri+Ru+Rs+Ry+Rg+Rg，
[0010] 中空套筒式冷开关的闭合热阻：
[0011]
[0012] 中空套筒式冷量传输结构的性能要求决定了在其装配过程中要求保证较高的精 度和力学性能，在芯柱轴向方向的过定位消除采用套筒式冷开关连接部分与双向冷头螺纹 连接的办法，而在杜瓦窗口帽轴向方向上采用冷链和芯片基板垫铟片的办法消除过定位。
[0013] 本发明的实现方法如下：
[0014] 1)完成中空套筒冷开关冷量传输结构的焊接与装配；
[0015] 2)完成各零部件的焊接、探测器组装、二极管胶接及引线焊接等工艺；
[0016] 3)将步骤1)中中空套筒冷开关冷量传输结构与2)中的杜瓦与进行密封装配；
[0017] 4)将步骤3)的杜瓦与双制冷机耦合装配；
[0018] 5)将步骤4)的杜瓦组件进行抽真空，在杜瓦内部真空达到IX10 4Pa后，开启左侧 主制冷机，冷量通过左侧冷开关7进行传递，少部分的制冷量通过右侧的冷开关内筒703、 芯柱9及右侧制冷机的冷指进行传递、但是没有达到冷开关所需要的80K温度以及相应收 缩率，冷开关外筒702与冷开关连接部分701存在间隙将不能闭合，因此，备份制冷机将不 会开启；
[0019] 5)如果主制冷机不能正常工作，备份制冷机将通过电磁或者其他控制方式开启， 冷开关将实现闭合，保证探测器能够连续性工作。
[0020] 本发明具有以下优点：
[0021] (1)改双冷头设计为单冷头双向设计，为防止冷头两端刚性连接引起的过定位问 题，在冷开关与双向冷头部分采用螺纹连接；
[0022] (2)改进了双向移位冷开关的应用问题，本发明中采用了单向冷开关结构：冷开 关内筒采用膨胀系数较小的因瓦，冷头连接部分、冷开关外筒、冷头底部结构均采用膨胀系 数较大的紫铜材料。
[0023] (3)双支撑以及支撑板装配结构能够有效抵消冷链、冷头以及冷开关在制冷过程 中冷缩效应对芯片基板的变形；
[0024] (4)除芯片基板、冷链、冷头、冷开关外，支撑、支撑板、芯柱、外壳等零件均采用密 度更小、热导率更低的TC4材料。80K下，TC4的导热系数为4. 3W/m·k，而常规材料柯伐导 热系数为l〇W/m·k，采用TC4能够有效降低固体传导漏热；
[0025] 本发明的对置式双机备份的红外探测器杜瓦组件结构应用于相关工程项目中。
【附图说明】
[0026] 图1为对置式双制冷机备份的红外探测器新型杜瓦组件示意图。
[0027]图中：
[0028] 1一支撑
[0029] 2一芯片基板
[0030] 3-探测器安装板
[0031] 4-芯柱
[0032] 5-冷链
[0033] 6-双向冷头
[0034] 7-中空套筒冷开关
[0035] 701-冷开关连接部分
[0036]702-冷开关外筒
[0037] 703-冷开关内筒
[0038]704-冷开关底部结构
[0039] 8-下冷屏
[0040]9一柱壳
[0041] 901-主制冷机柱壳法兰盘
[0042] 902-备份制