基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构

1.本专利涉及空间遥感载荷大口径镜体的需要制冷及对温度均匀性有严格要求的场合，也适用于放置在真空容器内的大尺寸组件需要制冷及对温度场均匀性有要求的情况，具体是一种通过冷屏辐射罩的均匀的热辐射和柔性冷链的热传导实现被冷却部件降温和温度场等温化的结构。


背景技术：

2.为降低空间遥感载荷的探测仪器背景噪声，需要对仪器光学系统及其结构进行制冷，当光学镜体尺寸比较大时，由于镜体本身的温度梯度会导致热变形，进而引起光学镜面面型变差，影响探测性能。为此需要采用一种减小这种镜体制冷后因为温度场分布不均匀而引起镜体热变形的有效方法，本专利采用基于冷屏辐射罩和柔性冷链进行热传输的均温化结构为解决上述问题提供了一种有效解决方案。


技术实现要素：

3.一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：它包括冷屏辐射罩1、低温热管2、隔热组件3、安装底板4、光学镜体背板5、大口径光学镜体6、柔性冷链7、隔热多层组件8。
4.所述一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构中的大口径光学镜体6与光学镜体背板5连接，光学镜体背板5通过隔热组件3与安装底板4连接，大口径光学镜体6与光学镜体背板5之间通过柔性冷链7导热连接，由冷屏盖板1
‑
1、冷屏侧壁1
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2、冷屏通光孔1
‑
3构成的冷屏辐射罩1与光学镜体背板5导热连接，三根低温热管2的热端与冷屏盖板1
‑
1导热连接，隔热多层组件8包覆在冷屏辐射罩1和低温热管2外面。低温热管2将冷源的冷量传输到冷屏辐射罩1，冷屏辐射罩1再将冷量传输到光学镜体背板5，光学镜体背板5经其内侧壁5
‑
1通过柔性冷链7将冷量传输到大口径光学镜体6。为维持大口径光学镜体6的低温工作条件，光学镜体背板5与安装底板4之间采用由连接件3
‑
1、薄壁隔热支撑3
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2、隔热垫3
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3构成的隔热组件3减小温度较高的安装底板4对低温的光学镜体背板5之间的热传导。
5.所述的冷屏辐射罩1由冷屏盖板1
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1、冷屏侧壁1
‑
2、冷屏通光孔1
‑
3构成，采用2mm厚铝板加工而成，并采用均温化措施提高冷屏辐射罩1自身的温度场均匀性冷屏盖板1
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1、冷屏侧壁1
‑
2内侧喷涂高红外辐射率涂层，外表面加工厂低红外辐射率表面。
6.所述的低温热管2为一种基于相变换热的高效率传热组件，共有三根，其冷端与冷源连接，实现将冷源的冷量传输到热端。
7.所述的隔热组件3共有三个，由连接件3
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1、薄壁隔热支撑3
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2、隔热垫3
‑
3构成，连接件3
‑
1采用钛合金材料加工而成，薄壁隔热支撑3
‑
2为中空的低热导率薄壁结构，隔热垫3
‑
3聚酰亚胺材料加工而成。
8.所述的安装底板4采用复合材料加工而成，是光学系统的安装基准和热边界。
9.所述的光学镜体背板5采用高导热材料加工而成，其内侧壁5
‑
1上预留六组安装接
口，作为传热接触面。
10.所述的柔性冷链7采用专用工装由四十层0.1mm高导热石墨片叠加加工而成。
11.所述的隔热多层组件8为由丝网、双面镀铝聚酯薄膜和聚酰亚胺薄膜组成。聚酰亚胺薄膜为最内层靠，其余依次为丝网和双面镀铝聚酯薄膜交替放置，共计三十组丝网和双面镀铝聚酯薄膜交替铺层。
12.本专利的优点在于：
13.1采用高热导率的热解石墨片制作柔性冷链相比传统采用铜、铝等金属薄片制作的冷链具有更轻的质量、同样尺寸条件下更低的传热热阻的优势；
14.2通过在光学镜体背板与大口径光学镜体背面均布六个柔性冷链的方式，实现光学镜体背板与大口径光学镜体之间高效的冷量传输和冷量分别的均匀性，提高镜体的温度场均匀性；
15.3经均温化处理的冷屏辐射罩被制冷后，利用其高辐射率内表面向大口径光学镜体背面进行均匀热流辐射，从而实现对镜体的辐射制冷效果，提高镜体的温度场均匀性；
16.4柔性冷链可根据空间布局的需要进行柔性结构的定制，减小光学镜体背板与大口径光学镜体的应力传递，消除可能存在的外界应力对镜面的不利影响；
17.5光学镜体背板与安装底板之间之间采用隔热组件连接，可以有效减小安装底板对低温的光学镜体背板的热传导，有利于镜体保持低温的工作状态。
18.6在冷屏辐射罩外表面包覆隔热多层组件，可以有效减小外界热环境对低冷屏辐射罩内的低温组件的热辐射。
附图说明
19.附图1为包含冷屏辐射罩、低温热管、隔热组件和安装底板的结构图。
20.附图2为冷屏辐射罩内六个柔性冷链的结构布局图。
21.附图3为整个组件剖视图。
具体实施方式
22.本专利涉及的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构的具体实施方式为：
23.1将隔热组件与主镜背板端部连接，根据光学设计要求调节三个隔热组件的安装精度，然后将隔热组件与安装底板连接。
24.2按照实际传热量需求和设计尺寸裁剪0.1mm厚石墨片，并根据实际空间布局需求和实际安装接口，制作出柔性冷链；
25.3分别将柔性冷链的两端与光学镜体背板内侧壁和大口径光学镜体背面连接；
26.4用螺钉将冷屏辐射罩与光学镜体背板连接，为增强两者之间的换热效果，在安装的热接触面上放置导热膜，减小接触热阻；
27.5将三根低温槽道热管与冷屏辐射罩导热连接；
28.6在冷屏辐射罩及低温热管外部包覆隔热多层组件。


技术特征：
1.一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，包括冷屏辐射罩(1)、低温热管(2)、隔热组件(3)、安装底板(4)、光学镜体背板(5)、大口径光学镜体(6)、柔性冷链(7)、隔热多层组件(8)，其特征在于：所述的大口径光学镜体(6)与光学镜体背板(5)连接，光学镜体背板(5)通过隔热组件(3)与安装底板(4)连接，大口径光学镜体(6)与光学镜体背板(5)之间通过柔性冷链(7)导热连接，由冷屏盖板(1
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1)、冷屏侧壁(1
‑
2)、冷屏通光孔(1
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3)构成的冷屏辐射罩(1)与光学镜体背板(5)导热连接，三根低温热管(2)的热端与冷屏盖板(1
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1)导热连接，隔热多层组件(8)包覆在冷屏辐射罩(1)和低温热管(2)外面；低温热管(2)将冷源的冷量传输到冷屏辐射罩(1)，冷屏辐射罩(1)再将冷量传输到光学镜体背板(5)，光学镜体背板(5)经其内侧壁(5
‑
1)通过柔性冷链(7)将冷量传输到大口径光学镜体(6)；为维持大口径光学镜体(6)的低温工作条件，光学镜体背板(5)与安装底板(4)之间采用由连接件(3
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1)、薄壁隔热支撑(3
‑
2)、隔热垫(3
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3)构成的隔热组件(3)减小温度较高的安装底板(4)对低温的光学镜体背板(5)之间的热传导。2.根据权利要求1所述的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：所述的冷屏辐射罩(1)由冷屏盖板(1
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1)、冷屏侧壁(1
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2)、冷屏通光孔(1
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3)构成，采用2mm厚铝板加工而成，并采用均温化措施提高冷屏辐射罩(1)自身的温度场均匀性，冷屏盖板(1
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1)、冷屏侧壁(1
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2)内侧喷涂高红外辐射率涂层，外表面加工厂低红外辐射率表面。3.根据权利要求1所述的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：所述的低温热管(2)为一种基于相变换热的高效率传热组件，共有三根，其冷端与冷源连接，实现将冷源的冷量传输到热端。4.根据权利要求1所述的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：所述的隔热组件(3)共有三个，由连接件(3
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1)、薄壁隔热支撑(3
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2)、隔热垫(3
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3)构成，连接件(3
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1)采用钛合金材料加工而成，薄壁隔热支撑(3
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2)为中空的低热导率薄壁结构，隔热垫(3
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3)聚酰亚胺材料加工而成。5.根据权利要求1所述的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：所述的安装底板(4)采用复合材料加工而成，是光学系统的安装基准和热边界。6.根据权利要求1所述的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：所述的光学镜体背板(5)采用高导热材料加工而成，其内侧壁(5
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1)上预留6组安装接口，作为传热接触面。7.根据权利要求1所述的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：所述的柔性冷链(7)采用专用工装由四十层0.1mm高导热石墨片叠加加工而成。8.根据权利要求1所述的一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构，其特征在于：
所述的隔热多层组件(8)为由丝网、双面镀铝聚酯薄膜和聚酰亚胺薄膜组成，聚酰亚胺薄膜为最内层靠，其余依次为丝网和双面镀铝聚酯薄膜交替放置，共计三十组丝网和双面镀铝聚酯薄膜交替铺层。

技术总结
本专利公开了一种基于冷屏辐射罩和柔性冷链的光学镜体均温化结构。通过低温的冷屏辐射罩的均匀热辐射和柔性冷链的热传导作用，实现对大口径光学镜体的降温和温度场均匀化。该方法兼具有辐射传热热流密度均匀和热传导传热效率高的优点。适用于空间遥感载荷大口径镜体以及置于地面真空容器内的大尺寸部件的制冷和温度场均匀化。冷和温度场均匀化。冷和温度场均匀化。


技术研发人员：刘恩光 仇善昌 李忠 曾瑾 李南茜 吴亦农 饶鹏
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2021.04.16
技术公布日：2021/11/21