CN217817538U - 一种涡流管制冷相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及图像采集设备技术领域，尤其涉及一种涡流管制冷相机，包括图像传感器、换热器和涡流管，所述换热器一端与图像传感器接触，所述涡流管与换热器另一端连接，所述涡流管设有外接压缩气体的进气口。采用上述技术方案，无需用电、液氮或任何化学冷媒，仅用经过滤的工业用压缩空气即可实现制冷，提升了制冷效率，极大降低整机功耗；也不需要用风扇主动散热，消除了风扇振动对像素抖动的影响，图像输出质量提高。

Description

一种涡流管制冷相机

技术领域

本实用新型涉及图像采集设备技术领域，尤其涉及一种涡流管制冷相机。

背景技术

对相机的图像传感器进行制冷可以降低暗噪声，显著提高图像信噪比，科学相机的应用场景多数都是弱光成像或者需要长时间曝光的场合，因此对制冷需求较高。科学相机制冷最常用的方式是利用半导体制冷片制冷。半导体制冷片利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，通过对半导体制冷片通入电流使半导体制冷片两端产生温度差，一端放热，一端吸热，通过散热技术控制放热端的温度，可使冷端获得低温从而对图像传感器制冷。

缺点1：半导体制冷片需要电能驱动，制冷的同时会产生大量的热量，往往制冷效率很低。比如普通CMOS图像传感器的功率通常只在1W以内，而使用半导体制冷后，整机的功率往往会高达几十瓦。

缺点2：半导体制冷片产生的热量需要通过高效的散热系统将热量导出，否则会导致制冷片热端温度急剧上升，制冷效果大打折扣。因此大部分相机都会引入风扇进行散热，而风扇的引入会造成相机的抖动，导致成像质量变差。

缺点3：半导体制冷片通常与图像传感器一起封装到密封腔体防止水汽进入导致的冷凝和结冰，因此凡是采用半导体制冷片的相机的密封腔体都设计的比较复杂和庞大。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种涡流管制冷相机。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种涡流管制冷相机，包括图像传感器和换热器，所述换热器一端与图像传感器接触，还包括涡流管；所述涡流管与换热器另一端连接，所述涡流管设有外接压缩气体的进气口。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的一种涡流管制冷相机，包括图像传感器、换热器和涡流管，所述换热器一端与图像传感器接触，所述涡流管与换热器另一端连接，所述涡流管设有外接压缩气体的进气口。即由压缩气体给图像传感器进行降温，采用上述技术方案，无需用电、液氮或任何化学冷媒，仅用经过滤的工业用压缩空气即可实现制冷，提升了制冷效率，极大降低整机功耗；也不需要用风扇主动散热，消除了风扇振动对像素抖动的影响，图像输出质量提高。

附图说明

图1为本实用新型的一种涡流管制冷相机的结构示意图；

图2为本实用新型的一种涡流管制冷相机的换热器的分解图；

图3为本实用新型的一种涡流管制冷相机的涡流管的工作原理示意图；

标号说明：

1、图像传感器；2、换热器；21、换热器盖板；22、换热器底板；221、进气口；222、换热鳍片；223、排气口；224、闭环侧壁；225、凸台；

3、转接头；4、涡流管；41、进气口；42、涡旋室；43、控制阀；

5、外壳；6、导流管；7、电路板；

8、第三密封圈；9、腔体；10、第二密封圈；11、光学玻璃；12、玻璃压板；13、上壳；14、第一密封圈。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1至图3，本实用新型提供的一种涡流管制冷相机，包括图像传感器和换热器，所述换热器一端与图像传感器接触，还包括涡流管；所述涡流管与换热器另一端连接，所述涡流管设有外接压缩气体的进气口。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的一种涡流管制冷相机，包括图像传感器、换热器和涡流管，所述换热器一端与图像传感器接触，所述涡流管与换热器另一端连接，所述涡流管设有外接压缩气体的进气口。采用上述技术方案，无需用电、液氮或任何化学冷媒，仅用经过滤的工业用压缩空气即可实现制冷，提升了制冷效率，极大降低整机功耗；也不需要用风扇主动散热，消除了风扇振动对像素抖动的影响，图像输出质量提高。

进一步的，还包括设于所述涡流管内的控制阀，所述涡流管一端与换热器另一端连接，所述进气口靠近涡流管一端设置，所述控制阀靠近涡流管另一端设置。

从上述描述可知，通过设置控制阀，气流以高速旋转并流向涡流管的热气端出口，一部分气流通过热气出口(即位于涡流管另一端)的控制阀流出，另一部分气体被阻挡后，在原气流内圈以同样的速度反向旋转，并流向涡流管的冷气出口端(即位于涡流管一端)。在此过程中，两股气流发生热交换，内环气流温度降低，从涡流管的冷气出口端流出，外环气流温度上升，从涡流管的热气出口端流出。

进一步的，所述涡流管一端设有涡旋室，所述涡旋室在涡流管径向上的宽度大于所述涡流管的直径。

从上述描述可知，涡流管的涡旋室之所以比管径要大是由于涡流管的特征决定的。涡流管从原理上讲，之所以能够将压缩空气冷热分离，是因为气体在运输过程中遵循的热力学中的焓守恒，熵增加。压缩空气进入涡流管，必须有一个气体急剧膨胀的过程将其热含量转化为旋转的动能，所以涡流管的涡旋室管径较大便于压缩气体的急剧膨胀。

进一步的，所述换热器包括相互盖合设置的换热器底板和换热器盖板，所述换热器底板上设有进气口、排气口和换热鳍片，所述进气口与排气口之间形成流经换热鳍片的通道，所述进气口与涡流管连通。

从上述描述可知，从涡流管冷气出口端流出的气体进入换热器内部并依次经过换热器的进气口、换热鳍片和排气口后流出，在换热器中设计有若干鳍片用于冷热交换，图像传感器的热量通过换热器后随气流排出相机。

进一步的，所述进气口位于换热器底板的中央位置，所述换热器底板上设有围绕所述进气口外围设置的闭环侧壁，所述排气口位于闭环侧壁内部且靠近边缘的位置设置，所述换热鳍片位于闭环侧壁内部且由多个呈环形间隔设置的鳍块组成。

从上述描述可知，通过上述结构设计，提升冷热交换效率。

进一步的，所述换热器盖板的外表面上设有一凸台，所述凸台与图像传感器接触。

从上述描述可知，凸台与图像传感器接触，进一步提升冷热交换效率。

进一步的，还包括一端具有第一开口的腔壁和盖设于所述第一开口处的上壳，所述腔壁的底部设有通孔，所述凸台的自由端从所述通孔处穿入至由腔壁和上壳共同围成的腔体内，所述上壳上对应图像传感器位置设有第二开口，所述第二开口处依次盖设有光学玻璃和玻璃压板。

从上述描述可知，通过上述结构设计，图像传感器可单独封装，最大程度缩小相机密封腔体体积，结构简单可靠。

进一步的，所述腔壁与上壳之间密封连接，所述腔壁与换热器盖板的外表面之间密封连接，所述光学玻璃与上壳之间密封连接。

从上述描述可知，通过上述结构设计，形成一密封腔体，图像传感器置于该密封腔体内，确保使用性能稳定性，适用于多种极端环境。

进一步的，还包括外壳，所述外壳与腔壁共同形成密闭空间，所述涡流管和换热器均设于所述密闭空间内，所述涡流管另一端嵌设于所述外壳上且端部延伸至外壳外部。

从上述描述可知，通过上述结构设计，可从涡流管另一端排出部分热气至相机外部。

进一步的，还包括转接头，所述转接头一端的内径大于所述转接头另一端的内径，所述转接头一端与换热器另一端连接，所述转接头另一端与涡流管一端连接。

从上述描述可知，通过转接头，使得口径不同的两个部件(涡流管和换热器)实现对接，用于气体传输。

请参照图1至图3，本实用新型的实施例一为：

一种涡流管制冷相机，结构如图1所示，图像传感器1封闭在腔体9中，腔体9的开口处设计有上壳13，上壳13通过第一密封圈14与腔体9进行密封，上壳13开口处有光学玻璃11和玻璃压板12，光学玻璃11与上壳13之间通过第二密封圈10进行密封。图像传感器1的底部与换热器2接触。

另外，当相机使用场景为高能射线探测或者红外探测场景时，图像传感器需要处于真空或者超高真空环境中，此时相机也可通过法兰直接接到真空系统中，这样便不再需要将腔体单独封装起来。

换热器2的结构如图2所示，换热器2主要由两部分组成，分别是换热器底板22和换热器盖板21，两者都是导热性良好的材料，如AL6063或者紫铜，两者通过激光焊接成整体。其中换热器底板22上留有进气口221和换热鳍片222，所述进气口位于换热器底板的中央位置，所述换热器底板上设有围绕所述进气口221外围设置的闭环侧壁224，排气口223位于闭环侧壁224内部且靠近边缘的位置设置，所述换热鳍片222位于闭环侧壁224内部且由多个呈环形间隔设置的鳍块组成。

需要说明的是，上述的换热器是一种实施案例，其作用是将涡流管的冷量传递到图像传感器，其换热效率越高，图像传感器制冷效果就越好，当然也可以采用其他的换热器，可根据需要设计成其它样式。

冷空气通过换热鳍片222后从排气口223流出。换热器盖板21上有一凸台225，凸台225与图像传感器1接触，将图像传感器1的热量导出。换热器2与腔体9之间设置有第三密封圈8。换热器2的进气口221与转接头3一端相连接，转接头3另一端与涡流管4的冷空气出口端相连接。其中，所述转接头一端的内径大于所述转接头另一端的内径，所述转接头一端与换热器另一端连接，所述转接头另一端与涡流管一端连接，使得口径不同的两个部件(涡流管和换热器)实现对接，用于气体传输。

所述涡流管4设有外接压缩气体的进气口41，在本实施例中，压缩气体为压缩空气或压缩氮气，当然也可以采用其他压缩气体；进气口41与导流管6一端连接，导流管6另一端嵌设于所述外壳上且端部延伸至外壳5外部；所述涡流管内设有控制阀43，所述涡流管4一端与换热器2另一端连接，所述进气口41靠近涡流管4一端设置，所述控制阀43靠近涡流管4另一端设置。所述涡流管4一端设有涡旋室42，所述涡旋室42在涡流管径向上的宽度大于所述涡流管4的直径。涡流管的涡旋室之所以比管径要大是由于涡流管的特征决定的。涡流管从原理上讲，之所以能够将压缩空气冷热分离，是因为气体在运输过程中遵循的热力学中的焓守恒，熵增加。压缩空气进入涡流管，必须有一个气体急剧膨胀的过程将其热含量转化为旋转的动能，所以涡流管的涡旋室管径较大便于压缩气体的急剧膨胀。

涡流管4的工作原理如图3所示：压缩空气或者压缩氮气从涡流管4顶部进气口进入涡旋室，气流以高速旋转并流向涡流管的热气端出口，一部分气流通过热气出口的控制阀流出，另一部分气体被阻挡后，在原气流内圈以同样的速度反向旋转，并流向涡流管的冷气出口端。在此过程中，两股气流发生热交换，内环气流温度降低，从涡流管的冷气出口端流出，外环气流温度上升，从涡流管的热气出口端流出。从涡流管4冷气出口端留出的低温气流经过转接头3并进入换热器2内部，在换热器2中设计有若干鳍片用于冷热交换，图像传感器1的热量通过换热器2后随气流排出相机。

如图1所示，外部压缩空气通过导流管6进入涡流管4中，导流管6的另一端固定在外壳5上，所述涡流管另一端嵌设于所述外壳上且端部延伸至外壳外部。涡流管4下侧还固定了电路板7(图中仅展示了主板)，还可根据相机的电路设计需要，将若干其余电路板固定在涡流管4的周围。如果外部电路板有散热需求，可将需要散热的电路板布置在换热器2的排气口进行散热。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡流管制冷相机，包括图像传感器和换热器，所述换热器一端与图像传感器接触，其特征在于，还包括涡流管；所述涡流管与换热器另一端连接，所述涡流管设有外接压缩气体的进气口。

2.根据权利要求1所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，还包括设于所述涡流管内的控制阀，所述涡流管一端与换热器另一端连接，所述进气口靠近涡流管一端设置，所述控制阀靠近涡流管另一端设置。

3.根据权利要求2所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，所述涡流管一端设有涡旋室，所述涡旋室在涡流管径向上的宽度大于所述涡流管的直径。

4.根据权利要求1所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，所述换热器包括相互盖合设置的换热器底板和换热器盖板，所述换热器底板上设有进气口、排气口和换热鳍片，所述进气口与排气口之间形成流经换热鳍片的通道，所述进气口与涡流管连通。

5.根据权利要求4所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，所述进气口位于换热器底板的中央位置，所述换热器底板上设有围绕所述进气口外围设置的闭环侧壁，所述排气口位于闭环侧壁内部且靠近边缘的位置设置，所述换热鳍片位于闭环侧壁内部且由多个呈环形间隔设置的鳍块组成。

6.根据权利要求4所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，所述换热器盖板的外表面上设有一凸台，所述凸台与图像传感器接触。

7.根据权利要求6所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，还包括一端具有第一开口的腔壁和盖设于所述第一开口处的上壳，所述腔壁的底部设有通孔，所述凸台的自由端从所述通孔处穿入至由腔壁和上壳共同围成的腔体内，所述上壳上对应图像传感器位置设有第二开口，所述第二开口处依次盖设有光学玻璃和玻璃压板。

8.根据权利要求7所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，所述腔壁与上壳之间密封连接，所述腔壁与换热器盖板的外表面之间密封连接，所述光学玻璃与上壳之间密封连接。

9.根据权利要求7所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，还包括外壳，所述外壳与腔壁共同形成密闭空间，所述涡流管和换热器均设于所述密闭空间内，所述涡流管另一端嵌设于所述外壳上且端部延伸至外壳外部。

10.根据权利要求1所述的一种涡流管制冷相机，其特征在于，还包括转接头，所述转接头一端的内径大于所述转接头另一端的内径，所述转接头一端与换热器另一端连接，所述转接头另一端与涡流管一端连接。

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