CN103196566B - 分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构及实现方法 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种用于分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构和实现方法。用于分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构主要由冷链座、冷帽、弹簧、固定销和导热硅脂组成。本专利在分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构制备方面引入了实现方法，来实现分置式杜瓦与制冷机低温热耦合。本专利结构简单、成本低廉，具有多自由度误差补偿功能，可实现分置式杜瓦和制冷机的高效热耦合。本专利同样适用于其他被动冷平台与主动制冷冷源之间的高效热耦合。

Description

分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构及实现方法

技术领域

本发明涉及制冷型红外探测器杜瓦组件技术，具体是指一种用于分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构和实现方法。

背景技术

红外探测器杜瓦组件在红外领域有着广泛的应用。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、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在空间应用中大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制冷型红外探测器组件。

目前制冷型红外探测器组件多采用分置式工程杜瓦先将红外探测器芯片封装在其内，然后再与制冷机耦合。这种实现方式具有如下优点:(1)杜瓦和制冷机可以单独研制，工艺不交叉，可以缩短生产周期；(2)制冷机与工程杜瓦之间具有较强的互换性；(3)分置式杜瓦与制冷机耦合后形成的红外探测器制冷组件的可维修性强。分置式杜瓦的冷平台和制冷机冷指的热耦合国内外报道很少。传统的分置式杜瓦的冷平台和制冷机冷指的热耦合多采用铟片、碳纸和低温胶。它们对耦合部分的尺寸精度(比如芯柱的深度、芯柱与冷平台的垂直度、制冷机的冷指的长度、制冷机的圆周体与冷端面冷指的垂直度等)要求都很高，这些都大大降低了杜瓦和制冷机的成品率，增加了杜瓦与制冷机的成本和热耦合装配的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构和方法，解决了传统的分置式杜瓦的冷平台和制冷机冷指的热耦合存在的问题。

本发明的低温热耦合的弹性结构如图1所示，它包括：冷链座1、圆柱弹簧2、圆柱型销钉3、圆柱型冷帽4、导热硅脂5。其中弹簧2放置在冷链座1的圆型盲孔103处，导热硅脂5涂抹在冷帽4圆型盲孔402的内壁，冷帽4安放在弹簧2上端面，通过销钉3将冷帽4与冷链座1连接起来。

所述的冷链座1为选用无氧铜材料，形状如凸台，由上下两个圆柱组成。冷链座1的底面101，其平面度优于0.04mm。冷链座1的上圆柱1-2其圆周侧面预先留有腰型孔102，同时在上圆柱1-2中心有一个安放弹簧2的圆型盲孔103，圆型盲孔103的直径比圆柱弹簧2外直径大0.5mm-1mm；冷链座1整体镀金，金层厚度大于1μm，镀金后在冷链座1的底面101处理上厚度为0.1mm-0.2mm的伍德合金；如图2所示，冷链座1上圆柱1-2上表面与腰型孔上孔面的距离为L1，为0.5mm-1mm；冷链座1的腰型孔102长度为L2,确定方法如下：其中Fmax为弹簧2压缩到极限位置时能提供的力，K为弹簧2的倔强系数，D1为圆柱形销钉3的直径，δ₁为长度余量，选取0.1mm-0.5mm；冷链座1的圆型盲孔103底面与腰型孔下孔面的距离为L3,确定方法如下：公式中Q为要通过此弹性结构的传输冷量，δ₂为圆柱型冷帽4中圆型盲孔402的直径与冷链座1的上圆柱1-2外圆直径的差值，为0.02mm-0.06mm，λ为导热硅脂的低温导热系数，ΔT为本结构传输一定冷量Q后形成的温度差，取1K-2K，D2为圆柱型冷帽4的圆型盲孔402的直径，L1为冷链座1上圆柱1-2上表面与腰型孔上孔面的距离，L2为冷链座1的腰型孔102的长度。

所述的圆柱弹簧2采用碳素弹簧钢材料，它的两个圆柱端面的平行度优于0.05mm。

所述的圆柱型销钉3采用无氧铜材料，形状为圆柱形，其直径比冷链座1的上圆柱1-2圆周侧面预先留有的腰型孔102宽度小0.5mm-1mm。

所述的圆柱型冷帽4选用无氧铜材料，形状为圆柱形，在其圆周侧面留有两个销钉孔401，销钉孔401比圆柱型销钉3直径小0.02mm-0.04mm；同时在圆柱型冷帽4中心有一个安放弹簧2的圆型盲孔402，其直径比冷链座1的上圆柱1-2外圆直径大0.02mm-0.06mm；圆柱型冷帽4的上表面403平面度优于0.04mm，圆柱型冷帽4表面金层厚度大于1μm；圆柱型冷帽4的圆型盲孔402，其直径比冷链座1的上圆柱1-2外圆直径大δ₂，δ₂选取0.08mm-0.1mm。

所述的导热硅脂5选用APIEZON-N低温导热高真空脂，导热系数为0.194W/m·℃，该脂能经受-273℃到30℃范围内的反复热冲击。

本发明的低温热耦合的弹性结构装配过程如下：

1)先将冷链座1用丙酮、酒精清洗干净，然后使用卡盘将其固定；

2)用镊子将预先准备好的弹簧2平稳地放入冷链座1的圆型盲孔103内；

3)在冷帽4的圆型盲孔402内壁均匀涂抹上导热硅脂5，然后将冷帽轻放于弹簧2的上端面；

4)轻轻转动冷帽4，使得冷链座1上圆柱1-2其圆周侧面预先留有的腰型孔102的中心线与冷帽4圆周侧面的两个销钉孔中心线对齐；

5)轻微下压冷帽4的上表面403处，使得腰型孔102与冷帽4圆周侧面的两个销钉孔对齐；

6)然后将两个销钉3依次塞入冷帽4预留的销钉孔401内，保证两个销钉完全塞入，与冷帽4外圆面齐平，这样就完成了此弹性结构装配过程。

本发明的优点是：

1)本发明结构简单、操作方便、价格低廉；

2)本发明具有多自由度误差补偿功能，减少杜瓦与制冷机的成本和热耦合装配的难度；

3)本发明可以测试杜瓦与制冷机的耦合效果；

4)本发明同样适用于其他被动冷平台与主动制冷冷源之间的高效热耦合。

附图说明

图1为低温热耦合的弹性冷链示意图；

图中：

1—冷链座；

1-1冷链座下圆柱

1-2冷链座上圆柱

101—冷链座底面

102—腰型孔

103—圆型盲孔

2—圆柱弹簧；

3—圆柱型销钉；

4—圆柱型冷帽；

401—销钉孔

402—圆型盲孔

403—圆柱形冷帽上表面；

5—导热硅脂。

图2是弹性结构尺寸示意图。

图3是冷链座尺寸示意图。

图4是冷帽尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。如图1所示，它的主要实施方法如下：

1、本发明中各零部件的制备方法：

a)如图3(a)和图3(b)所示，冷链座1为选用无氧铜材料，加工后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声清洗机内清洗5-10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑；加工完成后镀金，金层厚度大于1μm；镀金完成后预先在冷链座1的底面101处理上厚度为0.1mm-0.2mm的伍德合金；并且运用三坐标测量仪测量101处平面度，平面度必须优于0.04mm；具体尺寸见图3(a)和图3(b)，其中直径D3＝20mm、直径D4＝14mm、直径D5＝8mm；

其中L1取0.5mm、Fmax＝30N/mm，弹簧2倔强系数K＝10N/mm，D1＝1.5mm，δ₁取0.1mm，根据公式：得出L2＝4.6mm；

传输冷量Q取1W，导热硅脂的低温导热系数λ取0.194W/m·℃，δ₂选取0.08mm，温度差ΔT＝1K，D2＝14.08mm，根据公式：得出L3＝4.22mm；L4＝2mm、R＝1mm、L5＝2mm；

b)圆柱弹簧2采用碳素弹簧钢材料，它的两圆柱端面的平行度优于0.05mm。圆柱弹簧2外直径为7.5mm，上下公差为0.1mm。

c)如图2所示，圆柱型销钉3采用无氧铜材料，形状为圆柱形，其直径D1＝1.5mm，上公差为+0.04mm，下公差为+0.02mm；

d)圆柱型冷帽4选用无氧铜材料，加工后依次用丙酮、酒精及去离子水在超声清洗机内清洗5-10分钟，去除加工中残留在零件表面的油脂和碎屑；运用三坐标测量仪测量圆柱型冷帽4的上表面403平面度必须优于0.04mm，完成后镀金，金层厚度大于1μm；具体尺寸见图4，其中h1＝4mm、D6＝20mm、D2＝14.08mm、D7＝1.5mm，上公差为-0.04mm，下公差为-0.02mm；

为了确保弹簧2压缩到极限时本发明仍有多自由度误差补偿功能，冷链座1的上圆柱1-2的上表面与冷帽4的圆型盲孔402的底部之间的距离选取0.15mm，同时，冷帽4下端面与冷链座1的下圆柱1-1的上端面之间的距离选取0.15mm，由此得出：

h2＝L3-0.15+D1/2＝4.82mm；

h3＝L1+L2+L3＝9.32mm。

e)导热硅脂5选用APIEZON-N低温导热高真空脂，导热系数为0.194W/m·℃，该脂能经受-273℃到30℃范围内的反复热冲击。

2、弹性结构装配步骤如下：

1)先将冷链座1用丙酮、酒精清洗干净，然后使用卡盘将其固定；

2)用镊子将预先准备好的弹簧2平稳地放入冷链座1的圆型盲孔103内；

3)在冷帽4的圆型盲孔402内壁均匀涂抹上导热硅脂5，然后将冷帽轻放于弹簧2的上端面；

4)轻轻转动冷帽4，使得冷链座1上圆柱1-2其圆周侧面预先留有的腰型孔102的中心线与冷帽4圆周侧面的两个销钉孔中心线对齐；

5)轻微下压冷帽4的上表面403处，使得腰型孔102与冷帽4圆周侧面的两个销钉孔对齐；

6)然后将两个销钉3依次塞入冷帽4预留的销钉孔401内，保证两个销钉完全塞入，与冷帽4外圆面齐平。

7)最后在冷帽4上端面403处施加一定的压力，保证弹簧2压缩到极限时本发明仍有多自由度误差补偿功能。这样就完成了此弹性结构装配过程。

以上就完成了此弹性结构组装过程，解决了传统的分置式杜瓦的冷平台和制冷机冷指的热耦合存在的问题。

Claims (3)

1.一种分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构，它包括：冷链座(1)、圆柱弹簧(2)、圆柱型销钉(3)、圆柱型冷帽(4)和导热硅脂(5)，其特征在于：

所述的冷链座(1)选用无氧铜材料，形状如凸台，由上下两个圆柱组成；冷链座(1)的底面(101)，其平面度优于0.04mm；冷链座(1)的上圆柱(1-2)其圆周侧面有腰型孔(102)，在上圆柱(1-2)中心有一个安放弹簧(2)的圆型盲孔(103)，圆型盲孔(103)的直径比圆柱弹簧(2)外直径大0.5mm-1mm；冷链座(1)整体镀金，金层厚度大于1μm，镀金后在冷链座(1)的底面(101)处理上厚度为0.1mm-0.2mm的伍德合金；冷链座(1)上圆柱(1-2)上表面与腰型孔上孔面的距离L1为0.5mm-1mm；冷链座(1)的腰型孔(102)长度L2确定方法如下：

$L2=\frac{F\max }{K}+D1+{\mathrm{\δ}}_1$

其中：Fmax为弹簧(2)压缩到极限位置时能提供的力，K为弹簧(2)的倔强系数，D1为圆柱形销钉(3)的直径，δ₁为长度余量，选取0.1mm-0.5mm；

冷链座(1)的圆型盲孔(103)底面与腰型孔下孔面的距离L3的确定方法如下：

$L3=\frac{Q\×{\mathrm{\δ}}_2}{\mathrm{\λ}\×\mathrm{\ΔT}\×D_2\×\mathrm{\π}}-L_1-L_2$

式中Q为要通过此弹性结构的传输冷量，δ₂为圆柱型冷帽(4)中圆型盲孔(402)的直径与冷链座(1)的上圆柱(1-2)外圆直径的差值，取值为0.02mm-0.06mm，λ为导热硅脂的低温导热系数，ΔT为本结构传输一定冷量Q后形成的温度差，取值1K-2K，D2为圆柱型冷帽(4)的圆型盲孔(402)的直径，L1为冷链座(1)上圆柱(1-2)上表面与腰型孔上孔面的距离，L2为冷链座1的腰型孔(102)的长度；

所述的圆柱弹簧(2)采用碳素弹簧钢材料，它的两个圆柱端面的平行度优于0.05mm；

所述的圆柱型销钉(3)采用无氧铜材料，其直径比冷链座(1)的上圆柱(1-2)圆周侧面预先留有的腰型孔(102)宽度小0.5mm-1mm；

所述的圆柱型冷帽(4)选用无氧铜材料，在其圆周侧面留有两个销钉孔(401)，销钉孔(401)比圆柱型销钉(3)直径小0.02mm-0.04mm；同时在圆柱型冷帽(4)中心有一个安放弹簧(2)的圆型盲孔(402)，其直径比冷链座(1)的上圆柱(1-2)外圆直径大0.02mm-0.06mm；圆柱型冷帽(4)的上表面(403)平面度优于0.04mm，圆柱型冷帽(4)表面金层厚度大于1μm；

弹簧(2)放置在冷链座(1)的圆型盲孔(103)内，导热硅脂(5)涂抹在冷帽(4)圆型盲孔(402)的内壁，冷帽(4)安放在弹簧(2)上端面，两个销钉(3)插入冷帽(4)预留的销钉孔(401)和冷链座(1)上圆柱(1-2)其圆周侧面预先留有的腰型孔(102)中将冷帽(4)与冷链座(1)连接起来。

2.根据权利要求1所述的一种分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构，其特征在于：所述的导热硅脂(5)选用APIEZON-N低温导热高真空脂。

3.一种如权利要求1所述一种分置式杜瓦与制冷机低温热耦合的弹性结构的装配方法，其特征在于包括以下步骤：

1)先将冷链座(1)用丙酮、酒精清洗干净，然后使用卡盘将其固定；

2)用镊子将预先准备好的弹簧(2)平稳地放入冷链座(1)的圆型盲孔(103)内；

3)在冷帽(4)的圆型盲孔(402)内壁均匀涂抹上导热硅脂(5)，然后将冷帽轻放于弹簧(2)的上端面；

4)轻轻转动冷帽(4)，使得冷链座(1)上圆柱(1-2)其圆周侧面预先留有的腰型孔(102)的中心线与冷帽(4)圆周侧面的两个销钉孔中心线对齐；

5)轻微下压冷帽(4)的上表面(403)处，使得腰型孔(102)与冷帽(4)圆周侧面的两个销钉孔对齐；

6)然后将两个销钉(3)依次塞入冷帽(4)预留的销钉孔(401)内，保证两个销钉完全塞入，与冷帽(4)外圆面齐平，这样就完成了此弹性结构装配过程。