[发明专利]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

说明书

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，装置包括换热装置、芯柱、外壳、盖帽、光学窗口等部分。装置带有排气管及进出液口，在其内部集成了大功率电阻阵列芯片，利用循环液体冷却的方法对其进行制冷。工作时冷却液从进液口进入换热室，经内部循环后从出液口流出。工作时排气口接真空泵，对装置内部除气，防止芯片表面结霜。该装置在选取液氮作为循环冷却介质时，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。

技术领域

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。

发明内容

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。