CN116773090A - 一种表征杜瓦真空性能的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表征杜瓦真空性能的装置与方法，包括：测试容器，所述测试容器具有用于固定杜瓦的固定部，所述测试容器的内部具有用于容纳杜瓦的容置空间，其中，所述杜瓦的冷指基座的底部区域设于所述测试容器的外部；超疏水引流盖板，所述超疏水引流盖板包括与所述杜瓦的冷指基座的底部区域相贴合的第一区域、环绕于所述第一区域外的第二区域、以及环绕于所述第二区域外的第三区域；其中，所述第一区域和所述第二区域形成槽，所述第三区域相对于水平面倾斜设置。本发明采用超疏水盖板定向引流，减弱液珠凝结影响质量变化速率以及温度变化速率。
Description
技术领域
本发明涉及杜瓦的技术领域，尤其涉及一种表征杜瓦真空性能的装置与方法。
背景技术
目前，制冷红外探测器内的真空度检测往往通过对杜瓦进行热负载测试，得到一个杜瓦是否已经大量漏气的定性结果。
热负载测试包括：将杜瓦从制冷机上拆卸下来，向冷指气缸中注入液氮；通过测试液氮挥发速率进而对杜瓦真空度进行定性分析：真空度良好的杜瓦挥发速率低；真空度差的杜瓦挥发速率高。
热负载测试是通过“向冷指内输送冷量，杜瓦外壳输入热量”实现热交换速率的测量。时间-质量曲线图中的末尾段质量变化速率通常被用于计算热负载。然而，由于液氮制冷的过程中，冷指气缸与空气接触部分，空气中水遇冷结霜，会大大降低质量变化速率的测试精度。此外，“最后一滴残留液氮”往往并非是平静地被挥发掉，而是发生冒泡、间歇泉效应甚至爆炸现象；这将使得时间-质量曲线发生剧烈波动，严重影响实验结果。根据以往经验，热负载重复测试误差一般在10~20%左右。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种表征杜瓦真空性能的装置、及使用该装置的热负载测试方法。
本发明通过监控制热冷指气缸回温到室温（或低温）过程中的质量变化速率，计算得到杜瓦真空度是否失效，是对现有测试技术的一个补充。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种表征杜瓦真空性能的装置，其中，包括：测试容器，所述测试容器具有用于固定杜瓦的固定部，所述测试容器的内部具有用于容纳杜瓦的容置空间，其中，所述杜瓦的冷指基座的底部区域设于所述测试容器的外部；超疏水引流盖板，所述超疏水引流盖板包括与所述杜瓦的冷指基座的底部区域相贴合的第一区域、环绕于所述第一区域外的第二区域、以及环绕于所述第二区域外的第三区域；其中，所述第一区域和所述第二区域形成槽，所述第三区域相对于水平面倾斜设置。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述第一区域的表面和所述第二区域的表面均包括：沿所述超疏水引流盖板的径向方向延伸的楔形区域和倒楔形区域，所述楔形区域和所述倒楔形区域交替布置；所述楔形区域靠近所述超疏水引流盖板的中心的一侧宽度大于其另一侧的宽度，所述倒楔形区域靠近所述超疏水引流盖板的中心的一侧宽度小于其另一侧的宽度；其中，所述楔形区域和所述倒楔形区域均具备倒刺微结构，所述楔形区域的倒刺微结构的密度大于所述倒楔形区域的倒刺微结构的密度。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述倒刺微结构沿所述超疏水引流盖板的径向方向由内向外依次布置有：相对于水平面倾斜设置的斜面部和垂直于水平面的直面部。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述第一区域的表面和所述第二区域的表面均包括：沿所述超疏水引流盖板的径向方向延伸的楔形区域和倒楔形区域，所述楔形区域和所述倒楔形区域交替布置；其中，冷凝水珠在接触所述楔形区域和所述倒楔形区域时，所述楔形区域向冷凝水珠提供更大的界面斥力，以使冷凝水珠向所述倒楔形区域的开口处移动。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述第一区域相对于水平面的倾角、所述第二区域相对于水平面的倾角被配置为使冷凝水珠在竖直方向上的分力小于所述楔形区域和所述倒楔形区域向冷凝水珠提供的界面斥力在竖直方向上的分力。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述第三区域相具备棱台微结构。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，超疏水引流盖板的外缘覆盖并突出于所述测试容器的上部的外缘。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述测试容器包括测试工装底座、以及与所述测试工装底座可拆卸地密封连接的测试工装盖板，其中，所述测试工装底座的内部形成所述容置空间。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，对所述第一区域和所述第二区域实施超疏水改性。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述测试工装底座、所述测试工装盖板均设有真空保温结构。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述超疏水引流盖板用于减少冷凝水珠的形成量、将形成的冷凝水珠通过特殊设计的超疏水结构“排斥”至所述装置之外；上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述超疏水引流盖板的所述倒刺微结构能够防止液珠滑落至冷指气缸内以至于影响测试精度。
上述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述测试工装底座、所述测试工装盖板均设有真空保温结构。
一种热负载测试方法，其中，使用上述的任意一项所述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述热负载测试方法包括：将所述测试容器的内部的水制冷至第一温度，将冷却液泵入所述测试容器，直至杜瓦的芯片处的温度稳定为第一温度，以使杜瓦处于热平衡状态且所述测试容器内的冷却液稳定于第一温度；向杜瓦的冷指气缸内导入沸液，实时记录杜瓦的芯片处的温度由第二温度下降至第三温度所的用时间与对应质量变化，通过公式计算得到热负载值；
所述公式为：
；
其中，为热负载值，/>为水的汽化潜热，/>为水的挥发速率。
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
（1）本发明采用超疏水盖板定向引流，减弱液珠凝结影响质量变化速率。
（2）本发明的制冷液体环境中严格保证了杜瓦外壁接触环境的稳定性，且避免了结冰结霜因素影响热负载的测试精度；热负载重复测试精度提高至5%以内。
（3）本发明提供了一种全新测试真空的方法，具体提供了一种冷指气缸输入热量，外壳输入冷量的方法，避免了冷指结冰结霜以及最后一滴液氮发生剧烈蒸发带来的测试数据波动。同时，这种方法对于目前仅有的两种测试方法起到补充与验证的作用。
附图说明
图1是本发明的表征杜瓦真空性能的装置的第一实施例的示意图。
图2是本发明的表征杜瓦真空性能的装置的第二实施例的示意图。
图3是本发明的表征杜瓦真空性能的装置的测试工装底座和测试工装盖板的密封连接示意图。
图4是本发明的表征杜瓦真空性能的装置的超疏水引流盖板的局部放大示意图。
图5是本发明的表征杜瓦真空性能的装置的第一区域和第二区域的局部放大示意图。
图6是本发明的表征杜瓦真空性能的装置的第三区域的局部放大示意图。
图7是本发明的表征杜瓦真空性能的装置的微观结构图。
附图中：1、测试容器；11、测试工装底座；12、测试工装盖板；2、杜瓦；3、超疏水引流盖板；a、第一区域；b、第二区域；c、第三区域；41、楔形区域；42、倒楔形区域；5、倒刺微结构；51、斜面部；52、直面部；6、棱台微结构；7、真空保温结构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“横向”、“竖向”等术语所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
需要特别说明的是，本发明中的“水平”、“垂直”均用于说明大致位置关系，而并非严格的“水平面”或“竖直面”。
请参见图1至图6所示，示出一种较佳实施例的表征杜瓦真空性能的装置，包括：测试容器1和超疏水引流盖板3，测试容器1具有用于固定杜瓦2的固定部，测试容器1的内部具有用于容纳杜瓦2的容置空间，其中，杜瓦2的冷指基座21的底部区域设于测试容器1的外部。超疏水引流盖板3包括与杜瓦的冷指基座的底部区域相贴合的第一区域a、环绕于第一区域a外的第二区域b、以及环绕于第二区域b外的第三区域c；其中，第一区域a和第二区域b形成槽，第三区域c相对于水平面倾斜设置。
具体的，超疏水引流盖板3采用铝、不锈钢、铜等金属材料，超疏水引流盖板3也可采用PDMS这类原本疏水的高分子材料。
具体的，如图1、图2所示，超疏水引流盖板3覆盖杜瓦的冷指底座与冷指气缸直接连接的部分。超疏水引流盖板3通过超快激光在其表面加工出不同形状微观结构与宏观结构。
具体的，超快激光通过Z字型路径逐层扫描超疏水引流盖板3的基材得到倒刺微结构。
更具体的，超快激光扫描基材以去除超疏水引流盖板3的基材的上部的第一区域的材料，继而进一步扫描超疏水引流盖板3的基材以去除第一区域下方的第二区域的材料，其中，第二区域的宽度小于第一区域的宽度，重复上述步骤，以去除超疏水引流盖板3的基材的材料从而形成倒刺微结构。
具体的，在倒刺微结构成型后，对超疏水引流盖板3的表面进行超疏水改性。优选的，采用超疏水喷雾沉积法、或硬脂酸溶液浸泡法对超疏水引流盖板3的表面进行超疏水改性。
其中，超疏水引流盖板3具有抗水珠凝结在其表面的性能，即使有微量水珠凝结在其表面发生了凝结现象，也可通过其表面的倒刺微结构使其排走或快速挥发。由于超疏水表面的水珠呈现球状，其与空气接触面积大，能够快速挥发。
进一步，作为一种较佳的实施例，第一区域a的表面和第二区域b的表面均包括：沿超疏水引流盖板的径向方向延伸的楔形区域41和倒楔形区域42，楔形区域41和倒楔形区域42交替布置。
进一步，作为一种较佳的实施例，楔形区域41靠近超疏水引流盖板3的中心的一侧宽度大于其另一侧的宽度，倒楔形区域42靠近超疏水引流盖板3的中心的一侧宽度小于其另一侧的宽度。
其中，楔形区域41和倒楔形区域42均具备倒刺微结构5，楔形区域41的倒刺微结构5的密度大于倒楔形区域42的倒刺微结构5的密度。
具体的，倒刺微结构通过激光多次扫描得到，越深的区域扫描次数越多。
优选的，倒刺微结构的长L1为5-50μm、宽W1为5-50μm、高H1为5-40μm。倒刺微结构对冷凝水珠具有钉扎效应，防止冷凝水珠回流至冷指气缸内。
进一步，作为一种较佳的实施例，倒刺微结构5沿超疏水引流盖板3的径向方向由内向外依次布置有：相对于水平面倾斜设置的斜面部51和垂直于水平面的直面部52。
进一步，作为一种较佳的实施例，冷凝水珠在接触楔形区域41和倒楔形区域42时，楔形区域41向冷凝水珠提供更大的界面斥力，以使冷凝水珠向倒楔形区域42的开口处移动。
具体的，第一区域a和第二区域b的宏观结构为楔形结构41和倒楔形结构42交替排列，其中，优选的，楔形结构41和倒楔形结构42的楔形夹角均为0°~10°。
更具体的，请参见图7所示，楔形结构41形成倒刺微结构密度较大的深色区域，倒楔形结构42形成倒刺微结构密度较小的浅色区域。其中，深色区域的长为5~25μm、宽为5~25μm、高为5~40μm，接触角为140~160°，顺着倒刺方向滚动角小于5°，逆着倒刺方向滚动角大于40°。
其中，浅色区域为长为25~50μm、宽为25~50μm、高为5~40μm，顺着倒刺方向滚动角小于10°，逆着倒刺方向滚动角大于60°。
上述的长均指的是图4中上下方向上的长度，上述的宽均指的是图4中左右方向上的长度，上述的高均至的是图4中内外方向上的高度。
具体的，冷凝水珠在接触深色区域和浅色区域交界处时，水珠受到接触角更大的深色区域的界面斥力更大，水珠会朝着倒楔形的开口方向发生移动，即沿着第二区域b所形成的斜面向上流动。优选的，第二区域b所形成的斜面的倾角不能大于30°，否则液珠受到的界面斥力无法抵消液珠受到的重力向上运动。
进一步，作为一种较佳的实施例，第一区域a相对于水平面的倾角、第二区域b相对于水平面的倾角被配置为使冷凝水珠在竖直方向上的分力小于楔形区域41和倒楔形区域42向冷凝水珠提供的界面斥力在竖直方向上的分力。
进一步，作为一种较佳的实施例，第三区域c相具备棱台微结构6。
具体的，第三区域c的棱台微结构6优选为四棱台状微结构，四棱台状微结构的长L2为25-50μm、宽W2为25-50μm、高H2为30-40μm”，接触角120-130°，滚动角小于10°。
具体的，第三区域c为倾斜表面，倾斜角度大于10°，即大于表面的滚动角，以确保水珠能够顺利滚落。
具体的，在沸液挥发过程中，少部分蒸汽仍然会冷凝到超疏水引流盖板3上。冷凝水珠会被“运输”到超疏水引流盖板3的第三区域c，并受重力作用从第三区域c的斜面开始下滑，直至脱离整个装置。
其中，通过第一区域a、第二区域b和第三区域c的布置，能够防止冷凝液珠附着在杜瓦2以及装置上，减小热负载计算误差。冷凝水珠由于水比热容大，冷凝在杜瓦2以及装置上，将影响质量变化的测试精度。
进一步，作为一种较佳的实施例，超疏水引流盖板3的外缘覆盖并突出于测试容器1的上部的外缘。
进一步，作为一种较佳的实施例，测试容器1包括测试工装底座11、以及与测试工装底座11可拆卸地密封连接的测试工装盖板12，其中，测试工装底座11的内部形成容置空间。
具体的，测试工装底座11上安装有进水管和出水管，用于对杜瓦2的外壳进行制冷。
具体的，进水管和出水管均布置有阀门，当杜瓦2完全制冷后，关闭阀门可以使得冷却液被密封在测试容器1的内部。
优选的，进水管与出水管采用橡胶或塑料材质。
具体的，测试工装底座11采用导热性能差的聚合类物质，例如聚四氟乙烯。此外，测试工装底座也可采用玻璃、钛合金等材质。
具体的，测试工装盖板12采用导热性能差的聚合类物质，例如聚四氟乙烯。此外，测试工装底座也可采用玻璃、钛合金等材质。
其中，选用导热性能差材料作为测试工装底座11和测试工装盖板12的目的是为了减少环境与冷却液的热交换。
具体的，测试工装底座11的上端的外缘向外延伸形成第一环状结构，测试工装盖板12的外缘向外延伸形成第二环状结构，通过若干紧固件紧固第一环状结构和第二环状结构以实现测试工装底座11和测试工装盖板12的连接。
具体的，第一环状结构和/或第二环状结构的表面开设有密封槽，密封槽内布置有密封件，该密封件优选为密封圈。
具体的，测试工装底座11和测试工装盖板12以及两者与杜瓦2接触的区域通过弹性较强的密封橡胶垫隔开。密封橡胶垫能够很好的密封接触界面。
更具体的，接触界面的预紧力由螺栓螺母拧紧实现。
优选的，测试工装盖板12上开有直径2~4mm的孔，用于中空信号导线的引出。其中，中空信号导线由双层中空塑胶管与铜导线组成，被封装到管脚与测试工装盖板12上；中空的目的是为了减小导线通电时产生的热效应对冷却液冷量的消耗。
进一步，作为一种较佳的实施例，其中，对第一区域a和第二区域b实施超疏水改性。
进一步，作为一种较佳的实施例，测试工装底座11、测试工装盖板12均设有真空保温结构7。
具体的，真空保温结构7包括内壁和外壁，内壁和外壁之间形成空腔，真空保温结构7还具备可操作性地打开或关闭的抽真空口，该抽真空口与该空腔连通。
具体的，抽真空口为钎焊于外壁尚德抽气铜管，其能够对真空保温结构7进行抽真空至（~/>Pa）。
更具体的，在实施抽真空步骤后，对铜管进行加温加压夹断密封。真空保温结构够7提供了一个更加绝热的内部测试环境。
本实施例还提供了一种热负载测试方法，包括：将测试容器1的内部的水制冷至第一温度，将冷却液泵入测试容器1，直至杜瓦2的芯片处的温度稳定为第一温度，以使杜瓦2处于热平衡状态且测试容器1内的冷却液稳定于第一温度；向杜瓦2的冷指气缸内导入沸液，实时记录杜瓦2的芯片处的温度由第二温度下降至第三温度所的用时间与对应质量变化，通过公式计算得到热负载值；
公式为：
；
其中，为热负载值，/>为水的汽化潜热，/>为水的挥发速率。
在本实施例中，具体的，先开机制冷，将水进行制冷至1-5℃；再将冷却液泵入测试容器1内，直至芯片处测温二极管稳定示数1-5℃。此时，杜瓦2被认为是处于热平衡状态，且测试容器1内冷却液稳定在1-5℃；关闭进水管的阀门和出水管的阀门，停止泵冷却液。
在本实施例中，具体的，向冷指气缸导入沸水，实时记录温度由80℃下降至10℃所用时间与对应质量变化，通过公式计算得到热负载值。
具体的，在上述的热负载测试方法中，热负载测试在21℃恒温实验室内进行，于0.00001g高精度秤放置在光学平台上进行实验，为了保证平台处于水平的表面上，且装置振动非常小。
具体的，在上述的热负载测试方法中，沸液需要根据芯片以及冷头材料耐受温度进行选定，防止芯片以及冷头材料过热失效或严重形变。一般液体沸点不超过100℃，可选用水、乙醇和甲醇等。
具体的，在上述的热负载测试方法中，冷却液可以选用与沸液相同的液体，通过制冷剂进行制冷，并泵入装置内。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，包括：测试容器，所述测试容器具有用于固定杜瓦的固定部，所述测试容器的内部具有用于容纳杜瓦的容置空间，其中，所述杜瓦的冷指基座的底部区域设于所述测试容器的外部；超疏水引流盖板，所述超疏水引流盖板包括与所述杜瓦的冷指基座的底部区域相贴合的第一区域、环绕于所述第一区域外的第二区域、以及环绕于所述第二区域外的第三区域；其中，所述第一区域和所述第二区域形成槽，所述第三区域相对于水平面倾斜设置。
2.根据权利要求1所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述第一区域的表面和所述第二区域的表面均包括：沿所述超疏水引流盖板的径向方向延伸的楔形区域和倒楔形区域，所述楔形区域和所述倒楔形区域交替布置；所述楔形区域靠近所述超疏水引流盖板的中心的一侧宽度大于其另一侧的宽度，所述倒楔形区域靠近所述超疏水引流盖板的中心的一侧宽度小于其另一侧的宽度；其中，所述楔形区域和所述倒楔形区域均具备倒刺微结构，所述楔形区域的倒刺微结构的密度大于所述倒楔形区域的倒刺微结构的密度。
3.根据权利要求2所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述倒刺微结构沿所述超疏水引流盖板的径向方向由内向外依次布置有：相对于水平面倾斜设置的斜面部和垂直于水平面的直面部。
4.根据权利要求1所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述第一区域的表面和所述第二区域的表面均包括：沿所述超疏水引流盖板的径向方向延伸的楔形区域和倒楔形区域，所述楔形区域和所述倒楔形区域交替布置；其中，冷凝水珠在接触所述楔形区域和所述倒楔形区域时，所述楔形区域向冷凝水珠提供更大的界面斥力，以使冷凝水珠向所述倒楔形区域的开口处移动。
5.根据权利要求2或4所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述第一区域相对于水平面的倾角、所述第二区域相对于水平面的倾角被配置为使冷凝水珠在竖直方向上的分力小于所述楔形区域和所述倒楔形区域向冷凝水珠提供的界面斥力在竖直方向上的分力。
6.根据权利要求1所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述第三区域相具备棱台微结构。
7.根据权利要求1所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，超疏水引流盖板的外缘覆盖并突出于所述测试容器的上部的外缘。
8.根据权利要求1所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述测试容器包括测试工装底座、以及与所述测试工装底座可拆卸地密封连接的测试工装盖板，其中，所述测试工装底座的内部形成所述容置空间。
9.根据权利要求1所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，其中，对所述第一区域和所述第二区域实施超疏水改性。
10.根据权利要求1所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述测试容器内用于提供于杜瓦的外壁接触的冷却液。
11.根据权利要求8所述的表征杜瓦真空性能的装置，其特征在于，所述测试工装底座、所述测试工装盖板均设有真空保温结构。
12.一种热负载测试方法，其特征在于，使用权利要求1至11中任意一项所述的表征杜瓦真空性能的装置，其中，所述热负载测试方法包括：将所述测试容器的内部的水制冷至第一温度，将冷却液泵入所述测试容器，直至杜瓦的芯片处的温度稳定为第一温度，以使杜瓦处于热平衡状态且所述测试容器内的冷却液稳定于第一温度；向杜瓦的冷指气缸内导入沸液，实时记录杜瓦的芯片处的温度由第二温度下降至第三温度所的用时间与对应质量变化，通过公式计算得到热负载值；
所述公式为：
；
其中，为热负载值，/>为水的汽化潜热，/>为水的挥发速率。
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