CN112763095A - 一种星载高光谱探测仪ccd温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，将CCD热量传导到热沉，石墨膜导热索，以及热管，并导入具有温控功能的星上辐冷板的制冷系统。包含两路独立的CCD温控机构，每一路温控机构包含CCD制冷封装和导热传递结构；同时，两路CCD温控共用一个星上辐射控温结构。主要采用被动方式制冷，无机械运动部件，无功率制冷器件，从而降低系统体积和复杂度，节省能源，并通过特别设计的封装结构，提高系统的可靠性，解决了无自带制冷封装的CCD器件温控结构复杂，可靠性和安全性较低的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学遥测仪器高精度CCD器件热控系统，具体是涉及一种通过特别设计的CCD制冷封装，将CCD热量传导到热沉，导热索，以及热管，并导入具有温控功能的星上辐冷板的制冷系统。
背景技术
星载高光谱探测仪是过探测地球大气或临近空间反射、散射的光辐射来解析地面、空间目标的分布和变化。为满足日益提高的观测能力需求，对仪器提出了大视场，高空间和光谱分辨率的指标要求，仪器核心的成像组件共采用了两个相同的国际先进的CCD器件，以实现大视场、高分辨率，高信噪比的光谱成像技术。两个CCD器件在交付时都没有自带制冷封装，使用时须额外进行制冷热控设计，降低CCD内核温度并保持内核在稳定的低温环境工作，使其具有更低的暗电流背景噪声，以满足更高的分辨率和信噪比要求。同时，CCD是精密昂贵的核心器件，进行制冷封装设计时须考虑装配过程应力、力学和热环境应力对CCD器件的影响，满足高可靠性、安全性要求。
目前国外一些星载探测仪器的CCD器件或者自带制冷封装，导致价格有很大增长；或者温控系统多采用电力驱动的热电转换器件制冷，或机械式运动式制冷，使得温控系统复杂，可靠性降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种通过特别设计的CCD制冷封装，将CCD热量传导到热沉，导热索，以及热管，并导入具有温控功能的星上辐冷板的制冷系统，采用被动方式制冷，无机械运动部件，无电力驱动或功率制冷器件，解决目前系统成本高昂，结构复杂，可靠性和安全性较低的难题。
为解决上述问题，本发明的方案为：
一种星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，所述温控系统包含两路独立CCD温控机构，每一路温控机构包含两个独立的组成部分：CCD制冷封装主结构、制冷导热传递结构；同时，两路CCD温控机构共用一个星上辐射控温结构。所述的CCD制冷封装主结构有一个过渡导热块及导热板，导热索压板，导热索，CCD封装壳体，壳体盖板，CCD器件，CCD线路板，安装定位机构；所述的制冷导热传递结构有导热索支撑架，隔热板，压板，内部热管，内部热管支撑臂，内部热管隔热垫，外部热管，外部热管安装架，外部热管隔热垫；所述的星上辐射控温结构有星上辐冷板，辐冷板安装结构，辐冷板隔热垫，辐冷板控温器。
所述的CCD器件热面与过渡导热块间进行无应力安装，并填涂导热硅胶。CCD器件管脚无应力焊接在CCD线路板上。CCD线路板中间开口，以便过渡导热块穿过，过渡导热块与CCD器件接触的端部四周加工有微小台阶，CCD线路板与过渡导热块台阶之间的缝隙填涂结构胶，减小接触应力。CCD线路板形状设计为具有一定柔性，可以释放后期变形引起的应力。安装定位机构由钛合金螺钉及钛合金垫圈组成，用于将CCD线路板定位在CCD封装壳体上，安装结构顺序为螺钉、垫圈、线路板、垫圈、壳体，利于减小后期由于环境变化对线路板产生的应力。
所述的过渡导热块为一紫铜块状结构，导热板为紫铜T型结构，和过渡导热块组成CCD热沉。过渡导热块与导热板之间首先填涂导热硅胶，后以适当紧固力连接，以将CCD器件热量传导于导热索，并能部分释放力学和热环境变化导致的变形和应力。导热板与壳体盖板间以适当紧固力连接。壳体盖板材质为钛合金，表面发黑处理。壳体盖板与CCD封装壳体间以以适当紧固力连接。CCD封装壳体材质为钛合金，表面发黑处理。CCD封装壳体预留若干注胶孔，通过注胶孔在CCD器件与CCD封装壳体间填注结构胶，以减少应力对CCD器件影响。
所述的导热索压板材质为紫铜，利用导热索压板将导热索安装到导热板上，导热索与导热板间填涂导热硅脂。CCD器件热量通过导热板进入导热索，通过制冷导热传递结构，最终传递到星上辐射控温结构。CCD封装壳体、壳体盖板和导热索压板外露面包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。导热索采用石墨膜层叠结构，导热能力满足要求，且具有足够柔性，不会产生过大应力。导热索经特殊工艺处理，防止石墨粉末脱落导致污染。导热索外露面包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。按上述顺序安装CCD制冷封装主结构，达到结构低应力设计的目的。
所述的导热索支撑架材质为钛合金，表面发黑处理；隔热板材质为聚酰亚胺，压板材质为紫铜，内部热管为双孔铝氨热管，内部热管支撑臂材质为钛合金，表面发黑处理；内部热管隔热垫材质为聚酰亚胺。使用压板将导热索压紧在内部热管的一端，并用导热索支撑架支撑，导热索与内部热管间填涂导热硅脂，内部热管与导热索支撑架之间加入隔热板。内部热管安装在内部热管支撑臂上，中间加入内部热管隔热垫。将热管分为仪器内部热管和外部热管，提高安装及运输的便利性。
所述的外部热管为双孔铝氨热管，外部热管安装架材质为铝合金，表面发黑处理；外部热管隔热垫材质为聚酰亚胺。内部热管和外部热管大面积接触叠放在外部热管安装架上，热管之间填涂导热硅脂，热管与安装架之间放置外部热管隔热垫。外部热管除与内部热管接触段外，其余管身预埋在星体结构壁板内。结构外露面皆包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。
所述的星上辐冷板材质为铝合金，面积为0.3m2，外表面覆盖玻璃型二次表面镜热控涂层；辐冷板安装结构将星上辐冷板安装到星体上，辐冷板隔热垫材质为玻璃钢，放置在星上辐冷板与星体之间。两路CCD温控机构的外部热管另一端均与星上辐冷板背面大面积接触，接触面填涂导热硅脂。辐冷板控温器由辐冷板上的温度传感器、贴片式加热器与星体内控温仪组成，可以将星上辐冷板在轨温度波动控制在要求范围内。
本发明的有益效果：
(1)、采用星上辐冷板作为散热面和控温界面，充分利用星体资源，辐射能量效率高，制冷效果得到保障。将温控系统放置在仪器外部，通过两段热管连接配合，减小了仪器内部复杂度，可以缩小系统尺寸，减小整体体积，结构简单、利于发射和运载。
(2)、在CCD器件制冷封装中采用热沉和导热索，无机械运动部件，无电力驱动或功率制冷器件，节省了整星能源，减少了零部件数量，降低了整体体积和重量，提高了系统可靠性。
(3)、采用石墨膜材料加工为导热索，在导热性能和应力隔离两方面取得平衡，满足导热要求的同时避免了应力的传递。另外，由于设计了独特的结构和装配工艺，大大减小装配过程和后期环境变化引发的应力对CCD器件的影响。
附图说明
图1为本发明一种星载高光谱探测仪CCD温度控制系统示意图。
图中：1为过渡导热块，2为导热板，3为导热索压板，4为导热索，5为CCD封装壳体，6为壳体盖板，7为CCD器件，8为CCD线路板，9为安装定位机构，10为导热索支撑架，11为隔热板，12为压板，13为内部热管，14为内部热管支撑臂，15为内部热管隔热垫，16为外部热管，17为外部热管安装架，18为外部热管隔热垫，19为星上辐冷板，20为辐冷板安装结构，21为辐冷板隔热垫，22为辐冷板控温器。
具体实施方式
参见图1，一种卫星上低耗费、低应力，高可靠性、安全性的高光谱探测仪CCD温度控制系统，具体如下：
所述温控系统包含两路独立CCD温控机构，每一路温控机构包含两个独立的组成部分：CCD制冷封装主结构、制冷导热传递结构；同时，两路CCD温控机构共用一个星上辐射控温结构。所述的CCD制冷封装主结构有一个过渡导热块1及导热板2，导热索压板3，导热索4，CCD封装壳体5，壳体盖板6，CCD器件7，CCD线路板8，安装定位机构9；所述的制冷导热传递结构有导热索支撑架10，隔热板11，压板12，内部热管13，内部热管支撑臂14，内部热管隔热垫15，外部热管16，外部热管安装架17，外部热管隔热垫18；所述的星上辐射控温结构有星上辐冷板19，辐冷板安装结构20，辐冷板隔热垫21，辐冷板控温器22。
所述的CCD制冷封装主结构，CCD器件7热面与过渡导热块1间进行无应力安装，并填涂导热硅胶。
所述的CCD制冷封装主结构，CCD器件7管脚无应力焊接在CCD线路板8上。
所述的CCD制冷封装主结构，CCD线路板8中间开口，以便过渡导热块1穿过，过渡导热块1与CCD器件7接触的端部四周加工有微小台阶，CCD线路板8与过渡导热块1台阶之间的缝隙填涂结构胶，减小接触应力。
所述的CCD制冷封装主结构，CCD线路板8形状设计为具有一定柔性，可以释放后期变形引起的应力。
所述的CCD制冷封装主结构，安装定位机构9由钛合金螺钉及钛合金垫圈组成，用于将CCD线路板8定位在CCD封装壳体5上，安装结构顺序为螺钉、垫圈、线路板、垫圈、壳体，利于减小后期由于环境变化对线路板产生的应力。
所述的CCD制冷封装主结构，过渡导热块1为一紫铜块状结构，导热板2为紫铜T型结构，和过渡导热块1组成CCD热沉。过渡导热块1与导热板2之间首先填涂导热硅胶，后以适当紧固力连接，以将CCD器件7热量传导于导热索4，并能部分释放力学和热环境变化导致的变形和应力。
所述的CCD制冷封装主结构，导热板2与壳体盖板6间以适当紧固力连接。壳体盖板6材质为钛合金，表面发黑处理。
所述的CCD制冷封装主结构，壳体盖板6与CCD封装壳体5间以以适当紧固力连接。CCD封装壳体5材质为钛合金，表面发黑处理。
所述的CCD制冷封装主结构，CCD封装壳体5预留若干注胶孔，通过注胶孔在CCD器件7与CCD封装壳体5间填注结构胶，以减少应力对CCD器件影响。
所述的CCD制冷封装主结构，导热索压板3材质为紫铜，利用导热索压板3将导热索4安装到导热板2上，导热索4与导热板2间填涂导热硅脂。CCD器件7热量通过导热板2进入导热索4，通过制冷导热传递结构，最终传递到星上辐射控温结构。
所述的CCD制冷封装主结构，CCD封装壳体5、壳体盖板6和导热索压板3外露面包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。
所述的CCD制冷封装主结构，导热索4采用石墨膜层叠结构，导热能力满足要求，且具有足够柔性，不会产生过大应力。导热索4经特殊工艺处理，防止石墨粉末脱落导致污染。导热索4外露面包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。
所述的CCD制冷封装主结构，按上述顺序安装CCD制冷封装主结构，达到结构低应力设计的目的。
所述的制冷导热传递结构，导热索支撑架10材质为钛合金，表面发黑处理；隔热板11材质为聚酰亚胺，压板12材质为紫铜，内部热管13为双孔铝氨热管，内部热管支撑臂14材质为钛合金，表面发黑处理；内部热管隔热垫15材质为聚酰亚胺。
所述的制冷导热传递结构，使用压板12将导热索4压紧在内部热管13的一端，并用导热索支撑架10支撑，导热索4与内部热管13间填涂导热硅脂，内部热管13与导热索支撑架10之间加入隔热板11。
所述的制冷导热传递结构，内部热管13安装在内部热管支撑臂14上，中间加入内部热管隔热垫15。
所述的制冷导热传递结构，将热管分为仪器内部热管13和外部热管16，提高安装及运输的便利性。
所述的制冷导热传递结构，外部热管16为双孔铝氨热管，外部热管安装架17材质为铝合金，表面发黑处理；外部热管隔热垫18材质为聚酰亚胺。
所述的制冷导热传递结构，内部热管13和外部热管16大面积接触叠放在外部热管安装架17上，热管之间填涂导热硅脂，热管与安装架之间放置外部热管隔热垫18。
所述的制冷导热传递结构，外部热管16除与内部热管13接触段外，其余管身预埋在星体结构壁板内。
所述的制冷导热传递结构，结构外露面皆包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。
所述的星上辐射控温结构，星上辐冷板19材质为铝合金，面积为0.3m2，外表面覆盖玻璃型二次表面镜热控涂层；辐冷板安装结构20将星上辐冷板19安装到星体上，辐冷板隔热垫21材质为玻璃钢，放置在星上辐冷板19与星体之间。
所述的星上辐射控温结构，两路CCD温控机构的外部热管16另一端均与星上辐冷板19背面大面积接触，接触面填涂导热硅脂。
所述的星上辐射控温结构，辐冷板控温器22由辐冷板上的温度传感器、贴片式加热器与星体内控温仪组成，可以将辐冷板在轨温度波动控制在要求范围内。
Claims (25)
1.一种星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述温控系统包含两路独立CCD温控机构，每一路温控机构包含两个独立的组成部分：CCD制冷封装主结构、制冷导热传递结构；同时，两路CCD温控机构共用一个星上辐射控温结构；所述的CCD制冷封装主结构有一个过渡导热块(1)及导热板(2)，导热索压板(3)，导热索(4)，CCD封装壳体(5)，壳体盖板(6)，CCD器件(7)，CCD线路板(8)，安装定位机构(9)；所述的制冷导热传递结构有导热索支撑架(10)，隔热板(11)，压板(12)，内部热管(13)，内部热管支撑臂(14)，内部热管隔热垫(15)，外部热管(16)，外部热管安装架(17)，外部热管隔热垫(18)；所述的星上辐射控温结构有星上辐冷板(19)，辐冷板安装结构(20)，辐冷板隔热垫(21)，辐冷板控温器(22)。
2.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，CCD器件(7)热面与过渡导热块(1)间进行无应力安装，并填涂导热硅胶。
3.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，CCD器件(7)管脚无应力焊接在CCD线路板(8)上。
4.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，CCD线路板(8)中间开口，以便过渡导热块(1)穿过，过渡导热块(1)与CCD器件(7)接触的端部四周加工有微小台阶，CCD线路板(8)与过渡导热块(1)台阶之间的缝隙填涂结构胶，减小接触应力。
5.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，CCD线路板(8)形状设计为具有一定柔性，可以释放后期变形引起的应力。
6.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，安装定位机构(9)由钛合金螺钉及钛合金垫圈组成，用于将CCD线路板(8)定位在CCD封装壳体(5)上，安装结构顺序为螺钉、垫圈、线路板、垫圈、壳体，利于减小后期由于环境变化对线路板产生的应力。
7.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，过渡导热块(1)为一紫铜块状结构，导热板(2)为紫铜T型结构，和过渡导热块(1)组成CCD热沉；过渡导热块(1)与导热板(2)之间首先填涂导热硅胶，后以适当紧固力连接，以将CCD器件(7)热量传导于导热索(4)，并能部分释放力学和热环境变化导致的变形和应力。
8.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，导热板(2)与壳体盖板(6)间以适当紧固力连接；壳体盖板(6)材质为钛合金，表面发黑处理。
9.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，壳体盖板(6)与CCD封装壳体(5)间以以适当紧固力连接；CCD封装壳体(5)材质为钛合金，表面发黑处理。
10.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，CCD封装壳体(5)预留若干注胶孔，通过注胶孔在CCD器件(7)与CCD封装壳体(5)间填注结构胶，以减少应力对CCD器件影响。
11.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，导热索压板(3)材质为紫铜，利用导热索压板(3)将导热索(4)安装到导热板(2)上，导热索(4)与导热板(2)间填涂导热硅脂；CCD器件(7)热量通过导热板(2)进入导热索(4)，通过制冷导热传递结构，最终传递到星上辐射控温结构。
12.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，CCD封装壳体(5)、壳体盖板(6)和导热索压板(3)外露面包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。
13.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，导热索(4)采用石墨膜层叠结构，导热能力满足要求，且具有足够柔性，不会产生过大应力；导热索(4)经特殊工艺处理，防止石墨粉末脱落导致污染；导热索(4)外露面包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。
14.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的CCD制冷封装主结构中，按上述顺序安装CCD制冷封装主结构，达到结构低应力设计的目的。
15.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，导热索支撑架(10)材质为钛合金，表面发黑处理；隔热板(11)材质为聚酰亚胺，压板(12)材质为紫铜，内部热管(13)为双孔铝氨热管，内部热管支撑臂(14)材质为钛合金，表面发黑处理；内部热管隔热垫(15)材质为聚酰亚胺。
16.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，使用压板(12)将导热索(4)压紧在内部热管(13)的一端，并用导热索支撑架(10)支撑，导热索(4)与内部热管(13)间填涂导热硅脂，内部热管与导热索支撑架(10)之间加入隔热板(11)。
17.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，内部热管(13)安装在内部热管支撑臂(14)上，中间加入内部热管隔热垫(15)。
18.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，将热管分为仪器内部热管(13)和外部热管(16)，提高安装及运输的便利性。
19.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，外部热管(16)为双孔铝氨热管，外部热管安装架(17)材质为铝合金，表面发黑处理；外部热管隔热垫(18)材质为聚酰亚胺。
20.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，内部热管(13)和外部热管(16)大面积接触叠放在外部热管安装架(17)上，热管之间填涂导热硅脂，热管与安装架之间放置外部热管隔热垫(18)。
21.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，外部热管(16)除与内部热管(13)接触段外，其余管身预埋在星体结构壁板内。
22.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的制冷导热传递结构中，结构外露面皆包覆15单元聚酰亚胺薄膜多层隔热组件。
23.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的星上辐射控温结构中，星上辐冷板(19)材质为铝合金，面积为0.3m2，外表面覆盖玻璃型二次表面镜热控涂层；辐冷板安装结构(20)将星上辐冷板(19)安装到星体上，辐冷板隔热垫(21)材质为玻璃钢，放置在星上辐冷板(19)与星体之间。
24.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的星上辐射控温结构，两路CCD温控机构的外部热管(16)另一端均与星上辐冷板(19)背面大面积接触，接触面填涂导热硅脂。
25.根据权利要求1所述的星载高光谱探测仪CCD温度控制系统，其特征在于：所述的星上辐射控温结构，辐冷板控温器(22)由星上辐冷板上的温度传感器、贴片式加热器与星体内控温仪组成，可以将星上辐冷板在轨温度波动控制在要求范围内。
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