CN209689754U - 用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构，本专利的用于低温光学的红外探测器组件杜瓦外壳结构由刚性隔热外壳和柔性隔热外壳组成，其组合一起后安装在红外探测器杜瓦组件的吸气剂腔室和制冷机的冷指之间。也可任选其中一种安装在红外探测器杜瓦组件的吸气剂腔室和制冷机的冷指之间；本专利既实现了红外探测器杜瓦制冷组件的低温外壳与制冷机膨胀机或脉管的热学隔离，克服了传统红外探测器杜瓦制冷组件无法满足低温光学系统要求的低背景、低的制冷功耗和安装过定位的问题。本专利的结构简单，操作方便，成本低廉；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。
Description
技术领域
本专利涉及红外探测器的低温封装技术，具体指一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦结构。它适用于低温光学系统要求红外探测器杜瓦制冷组件处于较低的环境温度场合。也适用于其它低温真空腔体与热源部件之间需要热隔离的场合。
背景技术
光学遥感仪器是卫星等航天器的重要组成部分，其采用光学系统将收集的地球或空间的电磁辐射聚焦到红外探测器上。为了进一步提升光学遥感仪器探测性能，目前先进的光学系统多采用低温光学技术，将光学镜头制冷到更低的温度水平(目前红外长波光学系统多在零下100度左右)，以降低光机辐射，提高遥感仪器的探测灵敏度和动态范围。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。这样也使得其应用时大多采用杜瓦封装形成红外探测器杜瓦制冷组件。
红外探测器杜瓦制冷组件安装在零下100度左右时，真空杜瓦的外壳的温度降低，其会带来如下好处：1)组件杜瓦外壳温度降低，组件杜瓦外壳对组件杜瓦内冷平台的辐射热减小，使得制冷机的热负载变小。从而制冷机的输入功耗降低，对光学遥感仪器的供电和散热有利；2)真空杜瓦外壳及光窗的温度降低，其自身的辐射降低，这得探测器接受到较低的背景辐射。有利于遥感仪器的探测灵敏度和动态范围。传统的红外探测器杜瓦制冷组件主要由红外探测器、真空杜瓦和制冷机组成。真空杜瓦与制冷机的耦合方式无论是集成式或分置式，制冷机与真空杜瓦都是刚性金属连接，即真空杜瓦的外壳与制冷机是金属接触。杜瓦的外壳也是真空杜瓦的光窗的安装载体。当传统的探测器制冷杜瓦组件处于零下100度左右，会带来如下困难：1)无论真空杜瓦与制冷机是采用何种耦合方式，其之间为金属连接，由于固体传导换热，也会使得制冷机处会处于零下100度左右。而国军标中有关制冷机的环境适用工作温度的低温工作温度为零下55度左右。当环境温度为零下100度时，对制冷机的设计和工艺提出新的技术挑战；2)制冷机与真空杜瓦连接处多为膨胀机或脉管，其是一个热源。在制冷机工作时会发热，热量会传给真空杜瓦的外壳和光窗。这会带来如下问题：a)制冷机的膨胀机或脉管散发出的热量，通过固体传导传到真空杜瓦外壳，导致真空杜瓦外壳温度提高，提高了探测器接受到组件杜瓦光窗及外壳的背景辐射量，进而影响探测器的性能。b)真空杜瓦温度的提高,组件杜瓦冷平台接受组件杜瓦外壳的辐射热，这会增加制冷机的负载，使得制冷机的输入功耗增加，进而影响低温光学系统的供电需求。c)在光学系统对组件杜瓦外壳散热能力一定时，真空杜瓦外壳温度的增加，导致制冷机的负载增加，制冷机输入功耗增加，导致膨胀机或脉管的发热进一步增加，这样循环恶化，严重影响红外探测器杜瓦制冷组件的寿命和可靠性。必须要探索一种新方法来解决这一问题。
发明内容
本专利的目的是提供一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦结构及实现方法，它适用于低温光学系统要求红外探测器杜瓦制冷组件处于较低的环境温度场合。本专利既实现了红外探测器杜瓦制冷组件的低温外壳与制冷机膨胀机或脉管的热学隔离，又兼顾了低温光学系统对红外探测器组件杜瓦和制冷机分别力学支撑要求，解决了传统红外探测器杜瓦制冷组件无法满足低温光学系统要求的低背景、低的制冷功耗和安装过定位的问题。
本专利的目的是这样实现的：红外探测器杜瓦组件由带光学窗口的窗口帽1、引线环2、吸气剂腔室3、制冷机的冷指4和用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构组成，如图1所示。带光学窗口的窗口帽1的下端通过激光或氩弧气密焊接在引线环2的上端，引线环2的下端激光或氩弧气密焊接在吸气剂腔室3的上端，在吸气剂腔体3与制冷冷指4的下部分法兰之间通过两道焊缝安装用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构。
所述的用于低温光学的红外探测器组件杜瓦外壳结构。如附图2所示，包括刚性隔热外壳5和柔性隔热外壳6。柔性隔热外壳6的下金属法兰604与刚性隔热外壳5的钎焊上法兰503通过激光或氩弧气密焊接在一起，柔性隔热外壳6的上金属法兰603和吸气剂腔室3的下端通过激光或氩弧气密焊接在一起，刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501与制冷机的冷指4的下端法兰通过激光或氩弧气密焊接形成杜瓦外壳结构。
所述的刚性隔热外壳5由钎焊下法兰501、低漏热中空陶瓷圆柱502和钎焊上法兰503组成。钎焊下法兰501和钎焊上法兰503材料选用柯伐合金，低漏热中空陶瓷圆柱502材料选用氧化锆。低漏热中空陶瓷圆柱502与刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503通过真空钎焊实现高强度气密性焊接成型。
所述的刚性隔热外壳5的制备方法如下：
1)如附图3所示，刚性隔热外壳5的低漏热中空陶瓷圆柱502按设计要求加工成型，中空圆柱内表面要求抛光，表面粗糙度优于Ra0.4。在其与刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503连接处，先通过专用工具均匀刷涂上厚度约为0.03mm-0.1mm的300目的钼锰浆料，待固化后，送入氢炉中900度高温加热处理；
2)对刚性隔热外壳5的低漏热中空陶瓷圆柱502与刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503连接处进行钼锰金属化后进行电镀镍，镍层厚度为0.05mm-0.1mm,电镀完成后进行高温烧氢处理。高温烧氢处理条件同步骤1的钼锰高温烧氢处理条件；
3)对步骤2完成后的刚性隔热外壳5的低漏热中空陶瓷圆柱502的两头钼锰金属化和镀镍处理的部分进行实测圆周尺寸，根据尺寸修配刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503连接处相对应尺寸，确保安装后两处的间隙控制在0.01mm-0.04mm；
4)在专用夹具安装保证如图3所示安装位置，在刚性隔热外壳5的的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503与低漏热中空陶瓷圆柱502连接处焊料预留槽内添加银铜料(牌号Ag72Cu28),放入真空钎焊炉，真空度低于1×10-3Pa，在焊料熔点的基础上增加10℃-30℃作为焊接温度，保持5-20分钟进行焊接；
5)将装配焊接后刚性隔热外壳5完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复5-10次；
6)用专用工装对已制备好的刚性隔热外壳5进行检漏，当漏率小于3×10-11Pa.m3/s时，检漏合格；
7)最后进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用
所述的柔性隔热外壳6由柔性波纹管601、防辐射和背压支撑屏602和上金属法兰603和下金属法兰604组成。柔性波纹管601选用不锈钢或TC4，波纹部分的厚度为0.15mm-0.3mm。柔性波纹管601和上金属法兰603与下金属法兰604通过激光或氩弧焊接成型，防辐射和背压支撑屏602与上金属法兰603通过激光或氩弧气密焊接成型。
所述的柔性隔热外壳6的制备方法如下：
1)如附图2所示，完成柔性隔热外壳6的柔性波纹管601与其上金属法兰603和下金属法兰604的激光或氩弧气密焊接，在用激光或氩弧焊接完成防辐射和背压支撑屏602在柔性隔热外壳6上的焊接；
2)将装配焊接后柔性隔热外壳6完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复5-10次；
3)用专用工装对已制备好的柔性隔热外壳6进行检漏，当漏率小于3×10-11Pa.m3/s时，检漏合格；
4)最后进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用。
本专利的用于低温光学的红外探测器组件杜瓦外壳结构的实现方法如下：根据光学遥感仪器对红外探测器杜瓦制冷组件的要求，可以将柔性隔热外壳6的下金属法兰604与刚性隔热外壳5的钎焊上法兰503通过激光或氩弧气密焊接在一起，柔性隔热外壳6的上金属法兰603和吸气剂腔室3的下端通过激光或氩弧气密焊接在一起，刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501与制冷机的冷指4的下端法兰通过激光或氩弧气密焊接形成杜瓦外壳结构，如图2所示；或者将刚性隔热外壳5的钎焊上法兰503与吸气剂腔室3的下端通过激光或氩弧气密焊接在一起，刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501与制冷机的冷指4下端通过激光或氩弧气密焊接形成杜瓦外壳结构；或者将柔性隔热外壳6的上金属法兰603与吸气剂腔室3的下端通过激光或氩弧气密焊接在一起，柔性隔热外壳6的下金属法兰604与制冷机的冷指4下端通过激光或氩弧气密焊接形成杜瓦外壳结构。
本专利的优点是：
(1)本专利的结构简单，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)本专利中采用的陶瓷为氧化锆陶瓷(ZrO2)，其热导率低。中空陶瓷圆周的壁厚可以变化，从而满足不同的隔热要求；
(4)本专利中采用的柔性隔热外壳中波纹管结构的有效长度和厚度可以变化，从而满足不同的隔热要求；
(5)本专利可实现红外探测器杜瓦制冷组件的低温外壳与制冷机膨胀机或脉管的热学隔离，隔离效果可调节适应；
(6)本专利可解决了传统红外探测器杜瓦制冷组件在低温光学系统安装过定位的问题。
附图说明
图1为用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦结构总图；
图中：1—带光学窗口的窗口帽；
2—引线环；
3—吸气剂腔室；
4—制冷机的冷指；
5—刚性隔热外壳；
501—钎焊下法兰；
502—低漏热中空陶瓷圆柱；
503—钎焊上法兰；
6—柔性隔热外壳；
601—柔性波纹管；
602—防辐射和背压支撑屏；
603—上金属法兰；
604—下金属法兰；
图2为柔性/刚性隔热外壳腔结构剖视图。
图3为刚性隔热外壳腔结构剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利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400×4(长波红外探测器杜瓦组件)。杜瓦组件窗口外壳要求处于173K，制冷机的脉管端的温度为233K，刚性隔热外壳5和柔性隔热外壳6之间连接的部分温度为218K，杜瓦组件装配结构如下：带光学窗口的窗口帽1的下端焊接在引线环2的上端，引线环2的下端焊接在吸气剂腔室3的上端，刚性隔热外壳5和柔性隔热外壳6之间通过激光或氩弧焊接实现气密连接后，通过激光焊或氩弧焊与吸气剂腔室3的下端气密性焊接，然后通过激光焊或氩弧焊工艺与一体化的制冷冷指4的下部分法兰通气密焊接成型，如附图1所示。本专利的具体实施方式如下：
1.本专利中零部件的制备的方法：
(a).刚性隔热外壳5由钎焊下法兰501、低漏热中空陶瓷圆柱502和钎焊上法兰503组成。钎焊下法兰501和钎焊上法兰503材料选用柯伐合金，其表面电镀镍，镍层厚度为0.05mm,电镀完成后进行900℃烧氢处理。低漏热中空陶瓷圆柱502材料选用氧化锆。低漏热中空陶瓷圆柱502材料选用氧化锆，根据真空压力容器圆筒壁厚设计标准，综合力学强度、可焊性和导热，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。根据整体隔热效果，设计加工外径Φ26.5mm壁厚0.5mm规格的氧化锆，氧化锆陶瓷(ZrO2)的平均热导率K为2.0w/m.k，ΔT＝233K-218K＝15K，L＝1.2×10-2m，代入以上公式可得：Q＝102mW，所以刚性隔热外壳传导漏热为306mW。低漏热中空陶瓷圆柱502中空圆柱内表面要求抛光，表面粗糙度优于Ra0.4。在其与刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503连接处，先通过专用毛刷均匀刷涂上厚度约为0.05mm的300目的钼锰浆料，待24h固化后，送入氢炉中900℃高温加热处理,对刚性隔热外壳5的低漏热中空陶瓷圆柱502与刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503连接处进行钼锰金属化后进行电镀镍，镍层厚度为0.05mm,电镀完成后进行900℃烧氢处理；对刚性隔热外壳5的低漏热中空陶瓷圆柱502的两头钼锰金属化和镀镍处理的部分进行实测圆周尺寸为Φ26.6mm，修配刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503连接处相对应尺寸，并控制安装后两处的间隙公差控制在0.04mm，专用夹具安装保证如图3所示安装位置，在刚性隔热外壳5的的钎焊下法兰501和钎焊上法兰503与低漏热中空陶瓷圆柱502连接处焊料预留槽(槽深0.5mm，槽宽0.2)内添加银铜料(牌号Ag72Cu28),放入真空钎焊炉，真空度低于1×10-3Pa，焊接温度为815℃，保持15分钟进行焊接,钎焊后对刚性隔热外壳5检漏，漏率优于3×10-11Pa.m3/s。
对低漏热中空陶瓷圆柱502内表面镜面抛光，抛光后将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，将装配焊接后刚性隔热外壳5完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复10次，再次用专用工装对已制备好的刚性隔热外壳5进行检漏，当漏率小于3×10-11Pa.m3/s时，检漏合格，最后将刚性隔热外壳5进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用。
(b)柔性隔热外壳6由柔性波纹管601、防辐射和背压支撑屏602和上金属法兰603和下金属法兰604组成。柔性波纹管601选用不锈钢，根据整体隔热效果要求，设计公称直径Φ6.5mm，厚度为0.15mm波纹，拉伸后长度为54mm，其与上金属法兰603连接的部分直径为Φ26mm，与上金属法兰603连接的部分直径为Φ27mm，波纹管是由多个横向波纹的圆柱形薄壁褶皱的壳体组成，可以等效为圆柱体固定传导模式，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)。不锈钢的平均热导率K为12w/m.k，ΔT＝218K-173K＝45K，L＝8.1×10-2m，代入以上公式可得：Q＝83mW，所以柔性隔热外壳传导漏热为83mW，波纹管要求去除毛刺，脱脂处理。下金属法兰604和上金属法兰603采用柯伐，其进行电镀镍，镍层厚度为0.05mm，防辐射和背压支撑屏602采用不锈钢材料，与上金属法兰603连接的部分为Φ28mm，其表面外直径小于柔性波纹管601压缩后内径。
首先将柔性隔热外壳6的柔性波纹管601与其上金属法兰603和下金属法兰604激光或氩弧气密焊接，利用专门的夹具对其检漏，漏率优于3×10-11Pa.m3/s，然后将柔性隔热外壳6的防辐射和背压支撑屏602与其上金属法兰603激光或氩弧气密焊接，并对柔性隔热外壳6检漏，漏率优于3×10-11Pa.m3/s，并对防辐射和背压支撑屏602和上金属法兰603的内表面镜面抛光，抛光后将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，将装配焊接后柔性隔热外壳6完全浸入液氮内，浸泡时间1-3分钟取出，室温保持时间大于5分钟，重复10次，再次用专用工装对已制备好的柔性隔热外壳6进行检漏，当漏率小于3×10- 11Pa.m3/s时，检漏合格，最后将柔性隔热外壳6进行250度，真空度优于3×10-4Pa连续真空排气48小时后待用。
2.组装及连接步骤
1).将柔性隔热外壳6的下金属法兰604的限位槽卡在刚性隔热外壳5的钎焊上法兰503上，利用专门的夹具将柔性隔热外壳6的上金属法兰603和刚性隔热外壳5的钎焊下法兰501固定约束住，并保证下金属法兰604和钎焊上法兰503的配合间隙控制在0.05mm,通过激光或氩弧焊接对柔性隔热外壳6和刚性隔热外壳5的进行气密性焊接，如图2所示。
2).用专用工装对已制备好的零部件进行检漏，当漏率小于3×10-11Pa.m3/s时，检漏合格。
3)将柔性隔热外壳6的上金属法兰603的限位槽卡在吸气剂腔室3上，利用专门的夹具将刚性隔热外壳5的下金属法兰501和吸气剂腔室3的上端面固定约束住，并保证吸气剂腔室3和上金属法兰603的配合间隙控制在0.05mm,通过激光或氩弧焊接对吸气剂腔室3和上金属法兰603进行气密性焊接，如图2所示。
4)重复步骤2)
5)将引线环2的限位槽卡在吸气剂腔室3上，利用专门的夹具将引线环2的上端面和刚性隔热外壳5的下金属法兰501固定约束住，并保证引线环2和吸气剂腔室3的配合间隙控制在0.05mm,通过激光或氩弧焊接对引线环2和吸气剂腔室3进行气密性焊接，如图1所示。
6)重复步骤2)
7)在对中仪下，将刚性隔热外壳5的下金属法兰501的限位槽卡在制冷机的冷指4上，调节好制冷机的冷指4的法兰面孔位与引线环2相对的位置。利用专门的夹具将引线环2的上端面和制冷机的冷指4固定约束住，并保证制冷机的冷指4和下金属法兰501的配合间隙控制在0.05mm,通过激光或氩弧焊接对制冷机的冷指4和刚性隔热外壳5进行气密性焊接，如图1所示。
8)重复步骤2)
9)在对中仪下，将带光学窗口的窗口帽1的限位槽卡在引线环2上，调节好光学窗口的窗口帽1与引线环2相对的位置。利用专门的夹具将制冷机的冷指4和带光学窗口的窗口帽1固定约束住，并保证引线环2和带光学窗口的窗口帽1的配合间隙控制在0.05mm,通过激光或氩弧焊接对引线环2和带光学窗口的窗口帽1进行气密性焊接，如图1所示。
10)重复步骤2)
以上就实现了400×4长波红外探测器组件的杜瓦外壳结构组装。
Claims (3)
1.一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构，包括刚性隔热外壳(5)和柔性隔热外壳(6)，其特征在于：
所述的用于低温光学的红外探测器组件杜瓦外壳结构，柔性隔热外壳(6)的下金属法兰(604)与刚性隔热外壳(5)的钎焊上法兰(503)通过激光或氩弧气密焊接在一起，柔性隔热外壳(6)的上金属法兰(603)和吸气剂腔室(3)的下端通过激光或氩弧气密焊接在一起，刚性隔热外壳(5)的钎焊下法兰(501)与制冷机的冷指(4)的下端法兰通过激光或氩弧气密焊接形成杜瓦外壳结构,或者将刚性隔热外壳(5)的钎焊上法兰(503)与吸气剂腔室(3)的下端通过激光或氩弧气密焊接在一起，刚性隔热外壳(5)的钎焊下法兰(501)与制冷机的冷指(4)下端通过激光或氩弧气密焊接形成杜瓦外壳结构；或者将柔性隔热外壳(6)的上金属法兰(603)与吸气剂腔室(3)的下端通过激光或氩弧气密焊接在一起，柔性隔热外壳(6)的下金属法兰(604)与制冷机的冷指(4)下端通过激光或氩弧气密焊接形成杜瓦外壳结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构，其特征在于：所述的刚性隔热外壳(5)由钎焊下法兰(501)、低漏热中空陶瓷圆柱(502)和钎焊上法兰(503)组成；钎焊下法兰(501)和钎焊上法兰(503)材料选用柯伐合金，低漏热中空陶瓷圆柱(502)材料选用氧化锆,低漏热中空陶瓷圆柱(502)与刚性隔热外壳(5)的钎焊下法兰(501)和钎焊上法兰(503)通过真空钎焊实现高强度气密性焊接成型。
3.根据权利要求1所述的一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构，其特征在于：所述的柔性隔热外壳(6)由柔性波纹管(601)、防辐射和背压支撑屏(602)和上金属法兰(603)和下金属法兰(604)组成，柔性波纹管(601) 选用不锈钢或TC4，波纹部分的厚度为0.15mm-0.3mm；柔性波纹管(601)和上金属法兰(603)与下金属法兰(604)通过激光或氩弧焊接成型，防辐射和背压支撑屏(602)与上金属法兰(603)通过激光或氩弧气密焊接成型。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109945979A (zh) * | 2019-03-11 | 2019-06-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构 |
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2019
- 2019-03-11 CN CN201920299334.1U patent/CN209689754U/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109945979A (zh) * | 2019-03-11 | 2019-06-28 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构 |
| CN109945979B (zh) * | 2019-03-11 | 2024-05-07 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种用于低温光学系统的红外探测器组件杜瓦外壳结构 |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |