CN103344342B - 一种抗径向振动和冲击的冷平台支撑结构 - Google Patents

一种抗径向振动和冲击的冷平台支撑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗径向振动和冲击的冷平台低漏热支撑结构,适用于集成式制冷型红外探测器组件的封装技术。本发明的一种抗径向振动和冲击的集成式红外探测器杜瓦组件的冷平台低漏热支撑结构由与悬臂式外壳焊接的辅助支撑环和四根斜撑式的矩形截面的低漏热陶瓷棒组成。四根斜撑式的低漏热陶瓷棒以制冷机冷指气缸为中心,两两相邻呈90°均匀分布，它们与制冷机冷指气缸和辅助支撑环连接通过特殊处理的低温胶实现。本发明可以克服探测器工作时制冷机振动的影响，同时满足集成式红外探测器杜瓦组件航天或航空严酷的环境适应要求。本发明的结构简单，操作方便，成本低廉，漏热仅增加十几毫瓦。可应用于各种集成式或分置式杜瓦组件。

Description

一种抗径向振动和冲击的冷平台支撑结构
技术领域
本发明涉及红外探测器杜瓦组件技术，具体指一种抗径向振动和冲击的冷平台低漏热支撑结构和实现方法，它适用于制冷型红外探测器集成式的封装。
背景技术
红外探测器杜瓦组件在航天航空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，红外探测器必须在深低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷时间短、制冷温度可调范围大等优点，目前该类探测器件在应用中多采用机械制冷方式。斯特林制冷机是常选的机械制冷方式之一。由于旋转电机和曲柄连杆结构的斯特林制冷机相对于自由活塞结构的斯特林制冷机具有结构紧凑、效率高、且技术成熟、价格低，得到广泛的应用。
因旋转电机和曲柄连杆结构的斯特林制冷机能提供的冷量一般较小，在制冷型红外探测器的封装时，大多将红外探测器直接安装在制冷机冷指气缸的冷平台上。其相对于分置式红外探测器杜瓦组件的优点是杜瓦芯柱和制冷机的冷指气缸二合一，克服分置式杜瓦芯柱的固体传导漏热、芯柱与制冷机之间的残气传导换热，将红外探测器杜瓦组件的漏热降到了最低。但其相对于分置式红外探测器杜瓦组件的缺点为探测器安装冷平台抗径向振动和冲击的能力变差。若采用类似传统的分置式探测器杜瓦组件的冷平台抗径向振动和冲击方法，如增加制冷机冷指气缸的厚度、减少制冷机冷指气缸的长度、改变制冷机气缸的材料和在制冷机冷指气缸上设置加强筋。这些方法都会降低制冷机能提供的冷量，更重要的是在制冷机的冷指气缸上进行额外的技术处理，都会增加制冷机的研制复杂程度，甚至会影响制冷机的性能和可靠性。另外制冷机为标准产品，其被用于制冷各种规模的红外探测器，安装有探测器的冷平台抗振动和冲击的措施在制冷机冷指气缸上的预处理一般不容易实现。综上所述，这对集成式制冷型红外探测器杜瓦组件而言，冷平台支撑的抗径向振动和冲击能力问题显得更加突出。必须要探索一种新方法来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗径向振动和冲击的冷平台的低漏热支撑结构和实现方法，可以克服探测器工作时制冷机振动的影响，同时满足了集成式红外探测器杜瓦组件航天或航空严酷的环境适应要求。
本发明的目的是这样实现的：集成式红外探测器杜瓦组件由悬臂式外壳1、冷指气缸2、红外焦平面探测器3、引线环4、窗口5、窗口帽6及抗径向振动和冲击的冷平台低漏热支撑结构组成，如图1所示。悬臂式外壳1的下端面焊接冷指气缸2，冷指气缸2的上端面即冷平台上放置红外焦平面探测器3，悬臂式外壳1上端面焊接引线环4，引线环4上焊接带有窗口5的窗口帽6。
所述的抗径向振动和冲击的冷平台低漏热支撑结构如附图2所示，由辅助支撑环7和四根斜撑式的低漏热陶瓷棒8组成。
低漏热陶瓷棒8选用氧化镐陶瓷材料，矩形截面积为0.09～0.36mm2。
辅助支撑环7材料选用不锈钢或可伐。在辅助支撑环7外圆柱面的中部周向有一条能嵌入悬臂式外壳1中间端面凹槽101内的凸边704，其上端面的外缘有两个对称的圆弧状凸边701。圆弧状凸边701的圆弧所对应的中心角为95°～105°，凸边厚度δ为1mm～2mm，高度为1.5mm～2mm。圆弧状凸边701的两端各有一个圆弧状的定位槽702。定位槽702的弧长为1mm～2mm，宽度为圆弧状凸边701厚度的槽的深度为圆弧状凸边701上端面到内孔703上端面的距离。
辅助支撑环7的内孔703套入冷指气缸2，将凸边704的上端面与悬臂式外壳1的中间端面凹槽101的上端面配合好后，采用激光焊或氩弧焊焊接在一起。辅助支撑环7内孔703的上端面低于冷指气缸2冷平台的下端面6mm～9mm。辅助支撑环7上的四个定位槽702用来限定低漏热陶瓷棒8的放置位置，使得放置好的四根低漏热陶瓷棒8以冷指气缸2为中心，两两相邻呈90°均匀分布。低漏热陶瓷棒8与冷指汽缸2和辅助支撑环7的定位槽702间通过低温胶连接。
本发明的实现方法如下：
1）先将辅助支撑环7用丙酮、酒精、去离子水超声清洗干净后，放入烘箱烘干。将烘干后的辅助支撑环7放入真空除气设备中除气。
2）在对中仪下，将辅助支撑环7的凸边704的上端面配合在悬臂式外壳1的中间端面凹槽101处，调节好辅助支撑环7的两个圆弧状凸边701相对于冷平台的位置。通过激光焊或氩弧焊的工艺将圆环704的上端面和悬臂式外壳1的中间端面凹槽101的上端面焊接在一起，如图2所示。
3）配制DW3胶。在低于35%的湿度下，依次用牙签滴入A胶1g；B胶0.2g；C胶0.04g，然后搅拌均匀。将搅拌好的胶放入60℃的烘箱烘3小时。
4）在显微镜下，用镊子取出一根陶瓷棒8，在陶瓷棒8与制冷机的冷指气缸2的连接端涂抹已配置好的DW3胶，胶的形状呈球状，直径为0.5mm~1mm。
5）将低漏热陶瓷棒8与冷指气缸2的连接端顶到冷平台的下端面相对定位槽702的位置，低漏热陶瓷棒8与辅助支撑环7的连接端滑入辅助支撑环的定位槽702内，并在低漏热陶瓷棒8与辅助支撑环7的连接端点入适量DW3胶，点胶的形状为球状，直径为0.5mm～1mm，如图2和图3所示。
6）重复按上述4-5步依次胶接好其余三根陶瓷棒。四根低漏热陶瓷棒的相对位置如图3所示。
7）将杜瓦放入电子干燥箱，固化24h。
以上就实现了集成式红外探测器杜瓦组件的冷平台低漏热支撑结构组装。本发明的优点是：
（1）本发明的结构简单，操作方便，成本低廉；
（2）兼容性好，应用于各种集成式红外探测器组件，同样适合分置式红外探测器杜瓦组件。
（3）本发明中采用的陶瓷棒为氧化锆陶瓷（ZrO2)，其热导率低，给杜瓦组件增加的额外漏热小（几十毫瓦）；
（4）本发明中采用的陶瓷棒，质量轻并且断裂韧性良好，有较高的抗弯强度和硬度。
附图说明
图1为带有支撑结构的集成式制冷型红外探测器杜瓦组件总图；
图中：1—悬臂式外壳；
      101—中间端面凹槽；
      2—冷指气缸；
      3—红外焦平面探测器；
      4—引线环；
      5—窗口；
      6—窗口帽；
      7—辅助支撑环；
      701—圆弧状凸边；
      702—定位槽；
      703—内孔；
      704—凸边；
      8—低漏热陶瓷棒。
图2为冷平台支撑结构剖视图。
图3为冷平台支撑结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
实例是某航天项目用640×512集成式红外探测器杜瓦组件结构。其装配结构如下：悬臂式外壳1与冷指气缸2激光焊接在一起。辅助支撑环7与悬臂式外壳1激光焊接在一起后，再将引线环4焊接在悬臂式外壳1上。红外焦平面探测器3胶接在冷指气缸2的冷平台上。窗口5与窗口帽6采用软金属焊接。将焊好窗口5的窗口帽6激光焊接在引线环4上，如附图1所示。本发明的具体实施方式如下：
1.本发明中各零部件的制备的方法：
(a).辅助支撑环7材料选用不锈钢。在辅助支撑环7外圆柱的中部周向有一条能嵌入悬臂式外壳1中间端面凹槽101内的凸边704，其上端面的外缘有两个对称的圆弧状凸边701。圆弧状凸边701的两端各有一个圆弧状的定位槽702。辅助支撑环7的内孔703孔径为22.5mm，外径为24.7mm，高度为2mm。凸边704的外径为27.3mm，高度为0.5mm，凸边704的下端面到内孔703下端面的距离为0.5mm。圆弧状凸边701的圆弧所对应的中心角为100°，由弧长公式得其厚度为1.1,mm，高度为1.8mm。定位槽702的弧长为1.5mm，宽度为0.7mm，深度为圆弧状凸台701上端面到内孔703上端面的距离即：1.8mm。将加工好的辅助支撑环7的内壁和外壁进行抛光，用洗洁精将辅助支撑环7上残留的研磨膏清洗干净，然后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声波清洗机内清洗5-10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑。清洗完毕后，将辅助支撑环7放入45℃烘箱烘30-40分钟。最后将辅助支撑环7放入真空除气炉进行除气。除气时，先打开干泵，抽到10pa以下，再打开分子泵，同时打开冷却水，加热至250℃，烘烤24h。
(b)低漏热陶瓷棒8选用氧化锆陶瓷材料。根据冷指气缸2的冷平台下端面与辅助支撑环7内孔703的上端面的相对位置及低漏热陶瓷棒8的放置角度，确定出低漏热陶瓷棒8的长度为12mm，其截面积为0.3mm×0.3mm。由于辅助支撑结构会引起传导漏热，根据导热公式：(K为材料在ΔT温度内的平均导热率系数，A为导热面积，ΔT为材料两端的温度差，L为导热长度）。要想降低传导漏热，除了选用导热系数小的材料，还可以增加材料的长度或减小导热面积。氧化锆陶瓷（ZrO2）的平均热导率K为2.0w/m.k，ΔT＝300K-80K＝220K，A＝0.3×10-3×0.3×10-3m2＝9×10-8m2；L＝1.2×10-2m，代入以上公式可得：Q=3.3mW，由于有四根，所以辅助支撑传导漏热为13.2mW。根据氧化锆陶瓷棒8的尺寸，购买0.3mm×30mm×40mm规格的氧化锆陶瓷片，用紫外激光切割机切割成我们需要的尺寸：0.3mm×0.3mm×12mm。
(c)配制胶接陶瓷棒时所需要的DW3胶。打开天秤，铺一张无尘纸在天枰上，放置好配胶盒，清零。在35%的湿度下，依次用牙签滴入A胶1g；B胶0.2g；C胶0.04g，然后按照顺时针方向搅拌均匀。将搅拌好的胶放入60℃的烘箱烘3小时，当胶呈粘稠状，不易流动时，拿出使用。
2.组装及连接步骤
1).在对中仪下，将辅助支撑环7的凸边704的上端面配合在悬臂式外壳1的中间端面凹槽101的上端面，调节好辅助支撑环7的两个圆弧状凸边701相对于冷平台的位置。通过激光焊的工艺将圆环704的上端面和悬臂式外壳1中间端面凹槽101的上端面焊接在一起，如图2所示。
2).在显微镜下，用镊子取出一根低漏热陶瓷棒8，在低漏热陶瓷棒8与冷指气缸2的连接端涂抹已配置好的DW3胶，胶的形状呈球状，直径约为0.8mm。
3）将低漏热陶瓷棒8与冷指气缸2的连接端顶到冷平台的下端面相对定位槽702的位置，低漏热陶瓷棒8与辅助支撑环7的连接端滑入辅助支撑环的定位槽702内，并在低漏热陶瓷棒8与辅助支撑环7的连接端点入适量DW3胶，点胶的形状为球状，直径为0.8mm，如图2和图3所示。
4）重复按上述2-4步依次胶接好其余三根低漏热陶瓷棒。四根低漏热陶瓷棒的相对位置如图3所示。
5）将杜瓦放入电子干燥箱，固化24h。
以上就实现了640×512面阵集成式红外探测器组件的冷平台支撑结构组装。

Claims (1)

1.一种抗径向振动和冲击的冷平台支撑结构，它由辅助支撑环(7)和四根斜撑式的低漏热陶瓷棒(8)组成，其特征在于：
所述的低漏热陶瓷棒(8)选用氧化镐陶瓷材料，矩形截面积为0.09～0.36mm2；
所述的辅助支撑环(7)材料选用不锈钢或可伐，在辅助支撑环(7)外圆柱面的中部周向有一条能嵌入悬臂式外壳(1)中间端面凹槽(101)内的凸边(704)，其上端面的外缘有两个对称的圆弧状凸边(701)，圆弧状凸边(701)的圆弧所对应的中心角为95°～105°，圆弧状凸边(701)厚度δ为1mm～2mm，高度为1.5mm～2mm，圆弧状凸边(701)的两端各有一个圆弧状的定位槽(702)，定位槽(702)的弧长为1mm～2mm，宽度为圆弧状凸边(701)厚度的槽的深度为圆弧状凸边(701)上端面到内孔(703)上端面的距离；
辅助支撑环(7)的内孔(703)套入冷指气缸(2)，将凸边(704)的上端面与悬臂式外壳(1)的中间端面凹槽(101)的上端面配合好后，采用激光焊或氩弧焊焊接在一起；辅助支撑环(7)内孔(703)的上端面低于冷指气缸(2)冷平台的下端面6mm～9mm，辅助支撑环(7)上的四个定位槽(702)用来限定低漏热陶瓷棒(8)的放置位置，使得放置好的四根低漏热陶瓷棒(8)以冷指气缸(2)为中心，两两相邻呈90°均匀分布，低漏热陶瓷棒(8)与冷指气缸(2)和辅助支撑环(7)的定位槽(702)间通过低温胶连接。
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