[发明专利]一种双制冷且互为备份的冷量传输结构及实现方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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：

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-0.6mm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。

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，ΔL₁＝α*L₁*ΔT，ΔL₁＝β*L₂*ΔT，推算ΔL＝ΔL₁-ΔL₂＝α*L₁*ΔT-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0.2-0.6mm，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。

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，R1、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：