CN101813951A - 一种可控温焦面探测器机构 - Google Patents
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Abstract
一种可控温焦面探测器机构，主要解决了现有焦面探测器机构无法满足在不同温度条件下工作的问题。该可控温焦面探测器机构包括壳体、机箱、探测器和探测器安装座，探测器安装座包括探测器支撑板和冷板，探测器支撑板与机箱固定连接，探测器设置于冷板一侧，探测器上设置有温度测试传感器；冷板另一侧设置有制冷器，制冷器远离冷板一侧设置有导热装置，所述导热装置和冷板将制冷器隔离密封。该可控温焦面探测器机构可以实现探测器的不同工作温度需求，探测器在各种环境(实验室或空间环境)工作时，不受结霜和污染影响，有效减小环境漏热量。
Description
技术领域
本发明涉及一种可控温焦面探测器机构，具体涉及一种光学系统可控温焦面探测器机构，该机构可以应用于真空环境下。
背景技术
高性能空间相机或空间望远镜等在不同工作模式和不同工作环境下，其工作温度要求不同。如在成像和观测时需要其焦面制冷到较低温度(-50℃～-150℃等)，而在某些测试模式下，需要探测器工作在常温环境(如10℃～40℃等)。
当探测器由常温降至低温时，某些印制板及胶等易挥发物质、空气中的水蒸汽都会凝结到温度较低的探测器上，将会对探测器性能产生影响。
另外，探测器在不同模式下的温度需求是不同的，就需要根据不同模式设定探测器的温度控制点。现有的光电探测器机构主要依靠被动散热方式进行温度控制，而没有采用智能主动制冷和智能主动加热方式，因而其温度控制范围及温度控制精度都很差。
探测器机构的温度控制能力与探测器组件的热环境密切相关，为了实现探测器的制冷需求，需要控制好环境向探测器的各种漏热量，在真空条件下主要是导热漏热和辐射漏热。
发明内容
本发明提供一种可控温焦面探测器机构，主要解决了现有焦面探测器机构无法满足在不同温度条件下工作的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种可控温焦面探测器机构，包括壳体1、机箱2、探测器3和探测器安装座4，所述机箱2固定设置于壳体1内，机箱2的进光口上设置有与探测器观测位置对应的透明观测窗7，所述探测器3和探测器安装座4设置于机箱2内，其特征在于：所述探测器安装座4包括探测器支撑板41和冷板42，探测器支撑板41与机箱2固定连接；所述探测器3设置于冷板42一侧，探测器3上设置有温度测试传感器；所述冷板42另一侧设置有制冷器10；所述制冷器10远离冷板42一侧设置有导热装置11；所述导热装置11和冷板42将制冷器10隔离密封。
上述制冷器10以选择TEC热电制冷器为佳。
上述机箱2为真空密封机箱。
上述导热装置11包括制冷器支撑板111、换热板112、热管113和散热器114，制冷器支撑板111、换热板112和热管113设置于机箱2内，制冷器支撑板111一端与冷板42固定连接，另一端与换热板112一侧固定连接，换热板112另一侧与热管113固定连接；换热板112与热管113的固定连接是螺纹固定连接后再通过导热填料粘接；散热器114设置于机箱2外，散热器114与热管113连接。
上述制冷器支撑板111外侧或制冷器支撑板外侧的冷板42上设置有加热器12；设支撑板111靠近制冷器10一侧为内侧，远离制冷器10一侧为外侧。
上述机箱2与壳体1通过隔热垫块6固定连接，探测器支撑板41与壳体1之间设置有密封隔热垫块8。
上述制冷器10与换热板112之间设置有导热填料；上述制冷器10与冷板42之间设置有导热填料，冷板42与探测器3之间设置有导热填料。
上述壳体1的内表面镀金或镀铝，壳体1外部设置有隔热材料，隔热材料为多层隔热材料或泡沫隔热材料；探测器安装座4为钛合金或殷钢安装座。
上述导热填料可以选择GD414单组份室温硫化硅橡胶、GD414C单组份室温硫化硅橡胶、D-3导热脂、铟箔、CHO-THERM T500、Silpad2000导热绝缘垫等。
本发明的优点在于：
1、可以实现探测器的不同工作温度需求。
探测器制冷降温时，作用速度快，控制精度高，可靠性高。通过TEC模块热电制冷器对探测器进行主动制冷，实现探测器的制冷需求。通过探测器上的温度测点与设定值比较，然后调节TEC电流大小可以实现TEC的制冷能力调节，从而实现探测器温度的精密制冷。
探测器需要升温时，作用速度快，控制精度高，可靠性高。通过在探测器安装座上内置或外贴加热器来实现探测器的加热需求，通过探测器上的温度测点结合上述加热器可以实现自动闭环控制，可以实现探测器温度的精密闭环控制。另外改变TEC直流电方向，还可以使TEC反向工作，使探测器加热。
2.探测器在各种环境(实验室或空间环境)工作时，不受结霜和污染影响。通过对探测器空间进行抽真空，保证探测器组件不会受到水蒸气的影响。另外，机箱内部没有其他电路板等易挥发物质，也减少了污染量。
3、减小环境漏热量。由于机箱内部为真空，探测器受到的环境漏热量主要是导热漏热和辐射漏热。本设计中探测器散热路径各部件与周围环境良好隔热，探测器安装座为钛合金材料并加装多个隔热可有效减小导热漏热。对探测器及机箱内表面镀金或镀铝处理，可以减小其红外发射率。同时机箱外部包覆隔热材料(如多层隔热材料或泡沫隔热材料)，以减小周围环境的影响。
附图说明
图1为本发明的可控温焦面探测器机构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详述，如图1所示：
该可控温焦面探测器机构包括壳体1、机箱2、探测器3和探测器安装座4，壳体1的内表面可以进行镀金或镀铝处理，该处理可减小辐射漏热和红外发射率；
壳体1外部设置有隔热材料5，隔热材料为多层隔热材料或泡沫隔热材料，减小了对周围环境的影响；机箱2固定设置于壳体1内，机箱2与壳体1通过隔热垫块6固定连接；机箱的进光口上设置有与探测器观测位置对应的透明观测窗7，以使探测器制冷时面受结霜、结雾、污染影响，使探测器面免受损伤或性能下降。
探测器3和探测器安装座4设置于机箱内，探测器安装座4的材料可选用钛合金或殷钢；探测器安装座4包括探测器支撑板41和冷板42，探测器支撑板41与机箱2固定连接；探测器支撑板41与机箱2之间设置有密封隔热垫块8，减小了导热漏热。
探测器3设置于冷板42一侧，探测器3上设置有温度测试传感器。冷板42另一侧设置有制冷器10，此处制冷器选择TEC热电制冷器，当探测器需要制冷降温时，TEC热电制冷器可以根据冷端温度实测值与设定值比较，通过相应的控制算法来调节TEC的制冷量大小，从而实现探测器温度的闭环自动控制。
制冷器10远离冷板42一侧设置有导热装置11；导热装置11和冷板42将制冷器10隔离密封。其中导热装置包括制冷器支撑板111、换热板112、热管113和散热器114，制冷器支撑板111、换热板112和热管113设置于机箱2内，制冷器支撑板111一端与冷板42固定连接，另一端与换热板112一侧固定连接，换热板112另一侧与热管113固定连接；换热板112与热管113的固定连接是螺纹固定连接后再通过导热填料粘接；散热器114设置于机箱2外，散热器114与热管113连接。
制冷器支撑板111外侧或制冷器支撑板外侧的冷板42上可分别设置有加热器12，也可均设置加热器12；设制冷器支撑板111靠近制冷器10一侧为内侧，远离制冷器10一侧为外侧。当探测器3需要加热升温时，加热器12可以根据探测器温度实测值与设定值比较，通过相应的控制算法来调节加热器的功率及加热时间来实现探测器温度的闭环自动控制。
制冷器10与换热板112之间、制冷器10与冷板42之间、冷板42与探测器3之间均可填充有导热填料；导热填料可以选择GD414单组份室温硫化硅橡胶、GD414C单组份室温硫化硅橡胶、D-3导热脂、铟箔、CHO-THERM T500、Silpad2000导热绝缘垫等。
工作状态的描述：
假定探测器初始温度为20℃，目标温度为-80℃；TEC制冷器工作，TEC冷端与冷板接触一侧开始制冷，使探测器温度不断降低。根据探测器温度与目标温度的差值大小调节制冷器的工作电流及其制冷量，从而最终使探测器制冷到目标温度，实现对探测器的制冷；为了达到最优的制冷效果，必须将TEC制冷器热端产生的热量予以排散。通过相应的散热装置如热管、散热器等将该热量传递到外部空间或热沉。
如果探测器温度需要达到较高温度如40℃，则启动探测器支撑板上的加热器模块。根据探测器温度与目标温度的差值来调节加热器的工作时间及功率大小，最终使探测器温度达到稳定的目标温度。
Claims (9)
1.一种可控温焦面探测器机构，包括壳体(1)、机箱(2)、探测器(3)和探测器安装座(4)，所述机箱(2)固定设置于壳体(1)内，机箱(2)的进光口上设置有与探测器观测位置对应的透明观测窗(7)，其特征在于：所述探测器3和探测器安装座(4)设置于机箱(2)内，其特征在于：所述探测器安装座(4)包括探测器支撑板(41)和冷板(42)，探测器支撑板(41)与机箱(2)固定连接；所述探测器(3)设置于冷板(42)一侧，探测器(3)上设置有温度测试传感器；所述冷板(42)另一侧设置有制冷器(10)；所述制冷器(10)远离冷板(42)一侧设置有导热装置(11)；所述导热装置(11)和冷板(42)将制冷器(10)隔离密封。
2.根据权利要求1所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所制冷器(10)为TEC热电制冷器。
3.根据权利要求2所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所述机箱(2)为真空密封机箱。
4.根据权利要求1或2或3所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所述导热装置(11)包括制冷器支撑板(111)、换热板(112)、热管(113)和散热器(114)，制冷器支撑板(111)、换热板(112)和热管(113)设置于机箱(2)内，制冷器支撑板(111)一端与冷板(42)固定连接，另一端与换热板(112)一侧固定连接，换热板(112)另一侧与热管(113)固定连接；换热板(112)与热管(113)的固定连接是螺纹固定连接后再通过导热填料粘接；散热器(114)设置于机箱(2)外，散热器(114)与热管(113)连接。
5.根据权利要求4所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所述制冷器支撑板(111外侧或制冷器支撑板外侧的冷板(42)上设置有加热器(12)；设支撑板(111)靠近制冷器(10)一侧为内侧，远离制冷器(10)一侧为外侧。
6.根据权利要求5所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所述机箱(2)与壳体(1)通过隔热垫块(6)固定连接，探测器支撑板(41)与壳体(1)之间设置有密封隔热垫块(8)。
7.根据权利要求6所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所述制冷器(10)与换热板(112)之间设置有导热填料；上述制冷器(10)与冷板(42)之间设置有导热填料，冷板(42)与探测器(3)之间设置有导热填料。
8.根据权利要求7所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所述壳体(1的内表面镀金或镀铝，壳体(1)外部设置有隔热材料，隔热材料为多层隔热材料或泡沫隔热材料；探测器安装座(4)为钛合金或殷钢安装座。
9.根据权利要求8所述的可控温焦面探测器机构，其特征在于：所述导热填料可以选择GD414单组份室温硫化硅橡胶、GD414C单组份室温硫化硅橡胶、D-3导热脂、铟箔、CHO-THERM T500、Silpad2000导热绝缘垫等。
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