一種焦面探測器精密熱控機構的製作方法

2023-05-11 02:20:11 2

專利名稱：一種焦面探測器精密熱控機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種焦面探測器精密熱控機構，該機構既可應用於空間環境中，也可應用於地面環境中。
背景技術：
高性能空間相機或空間望遠鏡等在不同工作模式和工作環境下，其工作溫度要求不同。如在成像和觀測時需要其焦面製冷到較低溫度(_50°C -150°C等)，而在某些測試模式下，需要探測器工作在常溫環境(如10°C 40°C等)。 為滿足焦面探測器不同工作模式下的溫度需求，需要實現熱控機構在不同溫度需求之間轉換的快速、高精度及高可靠性。現有傳統的光電探測器熱控機構主要依靠被動散熱方式進行溫度控制，很難實現不同工作模式下的溫度快速變化，且溫度控制範圍及溫度控制精度都很差。本發明採用主動製冷和主動加熱相結合的方式，通過對熱控系統結構的合理設計，不僅能夠使探測器溫度迅速變化以滿足不同工作模式下的溫度需求，而且能夠對溫度範圍進行精密控制，同時系統工作可靠性高。

發明內容
本發明提供一種焦面探測器精密熱控機構，其解決了現有焦面探測器熱控機構無法滿足在不同工作模式下溫度迅速轉換，無法滿足工作要求的技術問題。為解決上述技術問題，本發明採用了如下技術解決方案一種焦面探測器精密熱控機構，其特殊之處在於包括真空箱體I、製冷組件、冷屏組件、加熱組件以及溫度採集單元，還包括設置在真空箱體I的外側以及加熱組件外側的隔熱層12，
所述製冷組件包括製冷器基板5、至少一個探測器製冷器8、至少一個冷屏製冷器9、熱管組件6以及散熱板7，所述加熱組件包括基板薄膜加熱器10以及熱管薄膜加熱器11以，所述冷屏組件3包括冷屏罩31、冷屏底板32及窗口玻璃33，所述窗口玻璃33設置在冷屏罩31上，所述冷屏底板32與冷屏罩31密封連接形成冷屏空腔15，所述真空外殼I與製冷器基板5固定密封連接形成密閉空腔16，所述冷屛組件設置在密閉空腔16內，探測器4封裝於冷屏組件3中，所述加熱組件設置在製冷器基板5底部，所述冷屏製冷器9和探測器製冷器8均設置在製冷器基板5的上部，所述冷屛組件3通過冷屏底板32設置在冷屏製冷器9上，所述探測器製冷器8的另一端穿過冷屏底板32且伸入至冷屏空腔15，所述探測器製冷器8設置在探測器4的底部，探測器4的上部為感光面，所述基板薄膜加熱器10設置在製冷器基板5的底部，所述熱管組件的蒸發端61的上部固定在製冷器基板5的底部，所述熱管組件的蒸發端61的底部設置有熱管薄膜加熱器11，所述熱管組件的冷凝端62固定在散熱板7上，所述溫度採集單元包括設置在冷屏空腔15內的至少一個溫度傳感器13、設置在密閉空腔16內的至少一個溫度傳感器13，設置在探測器4的上部的溫度傳感器13。上述探測器製冷器8均勻分布在探測器底部，所述冷屏製冷器9均勻分布在冷屏底板32底部。上述探測器製冷器8和冷屏製冷器9為TEC熱電製冷器。上述熱管組件的蒸發端61與基板薄膜加熱器10之間設置有導熱層和/或所述熱管組件的冷凝端62與散熱板7之間設置有導熱層。 上述導熱層為⑶414單組份室溫硫化矽橡膠、⑶414C單組份室溫硫化矽橡膠、D-3導熱脂、銦箔、CHO - THERM T500或Silpad2000導熱絕緣墊。上述製冷器基板所選用熱膨脹係數與基板製冷器相匹配的材料。上製冷器基板5與製冷器8、製冷器8與探測器4和冷屏底板32之間的連接可以通過焊接或膠粘來實現，採用膠粘法時，應選用低揮發高導熱的粘接材料。所述真空箱體I的內壁、冷屏罩31的內壁和外壁、冷屏底板32的表面、所述探測器4除感光面外的其餘表面以及所述製冷器基板5的上部表面均鍍有金處層，紅外發射率(0. 05。所述散熱板7外表面噴塗白漆，紅外發射率> 0. 92所述真空箱體I上設置有真空窗口玻璃2，所述真空窗口玻璃2設置在探測器4的相對位置。本發明的優點在於I、可以實現探測器的不同工作溫度需求。探測器需要製冷時，通過TEC模塊熱電製冷器對探測器進行主動製冷，探測器需要升溫時，通過在探測器安裝座上內置或外貼加熱器來實現探測器的加熱需求，TEC與加熱器作用速度快，能夠迅速滿足探測器的溫度需求。2、可以實現溫度精密控制。探測器需要製冷時，通過探測器上的溫度測點與設定值比較，然後調節TEC電流大小可以實現TEC的製冷能力調節，從而實現探測器溫度的精密製冷。探測器需要升溫時，通過探測器上的溫度測點結合上述加熱器可以實現自動閉環控制，可以實現探測器溫度的精密閉環控制。另外改變TEC直流電方向，還可以使TEC反向工作，使探測器加熱。3、可以滿足不同環境下的應用需求。探測器在各種環境(地面環境或空間環境)工作時，不受結霜和汙染影響。通過對探測器空間進行抽真空，保證探測器不會受到水蒸氣的影響。另外，熱控機構內沒有其他電路板等易揮發物質，也減少了汙染量。4、系統漏熱小，可靠性高由於熱控機構內部為真空，探測器不受對流換熱漏熱的影響。本設計中探測器散熱路徑各部件與周圍環境良好隔熱，探測器安裝座為鈦合金材料並加裝多個隔熱可有效減小導熱漏熱。對探測器及機箱內表面鍍金或鍍鋁處理，可以減小其紅外發射率。同時熱控機構外部包覆隔熱材料(如多層隔熱材料或泡沫隔熱材料)，以減小周圍環境的影響。


圖I為本發明的焦面探測器精密熱控機構示意圖。圖2為製冷器組件在製冷器基板上的位置分布，圖3為溫度傳感器在探測器、冷屏底板及製冷器基板上的位置分布。
具體實施例方式—種焦面探測器精密熱控機構，包括真空箱體1，真空窗口玻璃2，冷屏組件3 (包括冷屏罩31、冷屏底板32及窗口玻璃33)、探測器、製冷器基板5、熱管組件6、散熱板7、探測器製冷器8、冷屏製冷器9、基板薄膜加熱器10、熱管薄膜加熱器11、多層隔熱材料12、溫度傳感器13、機構所處環境邊界14，
所述真空箱體I外部設置有隔熱層12，隔熱材料為多層隔熱材料或泡沫隔熱材料，真空外殼I與製冷器基板6固定連接形成一個密閉空腔，所述探測組件和冷屛組件設置在密閉空腔內，密閉空腔內實施抽真空；兩者之間加裝密封隔熱墊；探測器4封裝於冷屏組件3中。所述製冷器基板5上安裝6個製冷組件，所述製冷組件包括探測器製冷器8和冷屏製冷器9，其中探測器製冷器8用來冷卻探測器，冷屏製冷器9用來冷卻冷屏組件，以降低探測器所處的環境溫度；故探測器固定在探測器製冷器8上，而冷屏底板32固定在冷屏製冷器9上。所述熱管組件6的蒸發端61與製冷器基板5固定連接，熱管組件6的冷凝端62固定在散熱板7上。所述製冷器基板5底部粘貼基板薄膜加熱器10，當探測器需要升溫時，基板薄膜加熱器10對製冷器基板5進行加熱，通過熱傳導和熱輻射的方式進而使探測器溫度升高，實現主動加熱。與所述製冷器基板5固定的熱管組件6的蒸發端61上粘貼薄膜加熱器11，可以保證熱管組件的蒸發端61溫度不至過低。上述探測器4上表面靠近讀出區粘貼溫度傳感器13，用於監測和控制探測器4的溫度。上述冷屏罩31上粘貼溫度傳感器13，用於監測和控制探測器環境溫度。製冷器基板5上粘貼溫度傳感器13，用於監測和控制冷屏製冷器9熱端的溫度。以下結合附圖對本發明進行詳述，如圖所示製冷器8和製冷器9以選擇TEC熱電製冷器為佳，製冷器的數目和型號根據具體的製冷量和接觸面積來確定。冷屏罩31和冷屏底板32應選用熱導率較高的材料，如鋁合金等；散熱板7應選用熱導率較高的材料，如鋁合金等；製冷器基板應選用熱膨脹係數與製冷器相匹配的材料，如鑰等；熱管組件6與製冷器基板5間填充導熱填料，熱管組件6與散熱板7之間填充導熱填料。導熱填料可以選擇⑶414單組份室溫硫化矽橡膠、⑶414C單組份室溫硫化矽橡膠、D-3導熱脂、銦箔、CHO - THERM T500、Silpad2000導熱絕緣墊等。製冷器基板5與製冷器
8、製冷器8與探測器4和冷屏底板32之間的連接可以通過焊接或膠粘來實現，採用膠粘法時，應選用低揮發高導熱的粘接材料。真空箱體I的內表面、冷屏罩31和冷屏底板32內外表面、探測器4表面(除感光面外)、製冷器基板5面向探測器的表面均要求紅外發射率 0. 92，可考慮噴塗白漆。真空箱體的進光口上設置有與探測器觀測位置對應的透明觀測窗2，以使探測器製冷時面不受結霜、結霧、汙染影響，使探測器面免受損傷或性能下降。系統的工作狀態描述假定探測器初始溫度為20°C，目標溫度為-80°C;TEC製冷器工作，TEC冷端與探測器接觸一側開始製冷，使探測器溫度不斷降低。根據探測器溫度與目標溫度的差值大小調節製冷器的工作電流及其製冷量，實現探測器溫度的閉環自動控制，使探測器製冷到目標 溫度；為了達到最優的製冷效果，必須將TEC製冷器熱端產生的熱量予以排散。通過相應的散熱裝置如熱管-輻冷器將該熱量傳遞到外部空間或熱沉。如果探測器溫度需要達到較高溫度如40°C，則啟動製冷器基板上的薄膜加熱器
11。根據探測器溫度實測值與設定值比較，通過相應的控制算法來調節加熱器的功率及加熱時間來實現探測器溫度的閉環自動控制，最終使探測器溫度達到穩定的目標溫度。
權利要求
1.一種焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於包括真空箱體(I)、製冷組件、冷屏組件、加熱組件以及溫度採集單元，還包括設置在真空箱體(I)的外側以及加熱組件外側的隔熱層(12)， 所述製冷組件包括製冷器基板(5)、至少ー個探測器製冷器(8)、至少ー個冷屏製冷器(9)、熱管組件(6)以及散熱板(7)， 所述加熱組件包括基板薄膜加熱器(10)以及熱管薄膜加熱器(11)以， 所述冷屏組件(3)包括冷屏罩(31)、冷屏底板(32)及窗ロ玻璃(33)，所述窗ロ玻璃(33)設置在冷屏罩(31)上，所述冷屏底板(32)與冷屏罩(31)密封連接形成冷屏空腔(15)， 所述真空外殼(I)與製冷器基板(5)固定密封連接形成密閉空腔(16)，所述冷屛組件設置在密閉空腔(16)內，探測器(4)封裝於冷屏組件(3)中，所述加熱組件設置在製冷器基板(5)底部， 所述冷屏製冷器(9)和探測器製冷器(8)均設置在製冷器基板(5)的上部，所述冷屛組件(3)通過冷屏底板(32)設置在冷屏製冷器(9)上，所述探測器製冷器(8)的另一端穿過冷屏底板(32)且伸入至冷屏空腔(15)，所述探測器製冷器(8)設置在探測器(4)的底部，探測器(4)的上部為感光面， 所述基板薄膜加熱器(10)設置在製冷器基板(5)的底部，所述熱管組件的蒸發端(61)的上部固定在製冷器基板(5)的底部，所述熱管組件的蒸發端(61)的底部設置有熱管薄膜加熱器(11)，所述熱管組件的冷凝端(62)固定在散熱板(7)上， 所述溫度採集單元包括設置在冷屏空腔(15)內的至少ー個溫度傳感器(13)、設置在密閉空腔(16)內的至少ー個溫度傳感器(13)，設置在探測器(4)的上部的溫度傳感器(13)。
2.根據權利要求I所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於 所述探測器製冷器(8)均勻分布在探測器底部，所述冷屏製冷器(9)均勻分布在冷屏底板(32)底部。
3.根據權利要求2所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於所述探測器製冷器(8)和冷屏製冷器(9)為TEC熱電製冷器。
4.根據權利要求I或2或3所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於所述熱管組件的蒸發端￠1)與基板薄膜加熱器(10)之間設置有導熱層和/或所述熱管組件的冷凝端(62)與散熱板(7)之間設置有導熱層。
5.根據權利要求4所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於所述導熱層為GD414單組份室溫硫化矽橡膠、⑶414C單組份室溫硫化矽橡膠、D-3導熱脂、銦箔、CHO 一 THERMT500或Silpad2000導熱絕緣墊。
6.根據權利要求5所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於所述製冷器基板所選用熱膨脹係數與基板製冷器相匹配的材料。
7.根據權利要求6所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在幹製冷器基板(5)與製冷器(8)、製冷器(8)與探測器(4)和冷屏底板(32)之間的連接可以通過焊接或膠粘來實現，採用膠粘法時，應選用低揮發高導熱的粘接材料。
8.根據權利要求7所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於所述真空箱體(I)的內壁、冷屏罩(31)的內壁和外壁、冷屏底板(32)的表面、所述探測器(4)除感光面外的其餘表面以及所述製冷器基板(5)的上部表面均鍍有金處層，紅外發射率< O. 05。
9.根據權利要求8所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於散熱板(7)外表面噴塗白漆，紅外發射率> O. 92。
10.根據權利要求9所述的焦面探測器精密熱控機構，其特徵在於所述真空箱體(I)上設置有真空窗ロ玻璃(2 )，所述真空窗ロ玻璃(2 )設置在探測器(4 )的相對位置。
全文摘要
本發明涉及一種焦面探測器精密熱控機構，包括真空箱體、製冷組件、冷屏組件、加熱組件以及溫度採集單元，還包括設置在真空箱體的外側以及加熱組件外側的隔熱層，製冷組件包括製冷器基板、至少一個探測器製冷器、至少一個冷屏製冷器、熱管組件以及散熱板。本發明解決了現有傳統的光電探測器熱控機構主要依靠被動散熱方式進行溫度控制，很難實現不同工作模式下的溫度快速變化的技術問題，採用主動製冷和主動加熱相結合的方式，通過對熱控系統結構的合理設計，不僅能夠使探測器溫度迅速變化以滿足不同工作模式下的溫度需求，而且能夠對溫度範圍進行精密控制，同時系統工作可靠性高。
文檔編號G05D23/20GK102681568SQ20121017356
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者鳳良傑, 杜雲飛, 楊文剛, 樊學武, 王晨潔, 王英豪 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所