一种集成式微型杜瓦内管及实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成式微型杜瓦内管及实现方法，集成式微型杜瓦内管包括冷指基座、冷指和冷头。冷指的一端安装在冷指基座上，采用钎焊的方式将其焊接成一体，再将冷指的另一端安装在冷头上，冷头与冷指钎焊成一体。本发明既满足了探测器支撑所需要的刚度，又实现了高压工质膨胀时低温制冷所需的气密性和制冷机活动部件往复运动所需要的高精度。本发明降低了集成式微型杜瓦内管的热负载，同时本发明由三部分气密焊接组成，有利于批量化生产降低成本。本发明结构简单，操作方便，兼容性好，可应用于各种集成式红外探测器组件。
【专利说明】
一种集成式微型杜瓦内管及实现方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及低温微型杜瓦组件技术，具体指一种集成式微型杜瓦内管及实现方 法，它适用于制冷型红外探测器集成式的封装。
【背景技术】
[0002] 红外探测器杜瓦组件在航天航空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。斯特林制冷机是常选的机械制冷方式之一。由于旋转电机和曲柄连杆 结构的斯特林制冷机相对于自由活塞结构的斯特林制冷机具有结构紧凑、效率高、且技术 成熟、价格低，得到广泛的应用。
[0003] 因旋转电机和曲柄连杆结构的斯特林制冷机能提供的冷量一般较小，在制冷型红 外探测器的封装时，大多将红外探测器直接安装在微型杜瓦的内管上，杜瓦内管与斯特林 制冷机配接，制冷机提供的制冷量直接冷却杜瓦内管。杜瓦内管是低温探测器支撑的载体， 同时是制冷机高压工质的膨胀腔。杜瓦内管热负载的控制和刚度是设计和加工的关键。在 国外，微型杜瓦内管的制备主要有法国thales公司和以色列Ricor公司，但其制备方法未见 报道。在国内，中国专利《制导用微型金属内管》（201310000806.6)主要报道杜瓦内管的结 构，从专利附图看，其为传统机械加工后与冷平台焊接而成，其制备方法未见报道。为了降 低杜瓦内管的热负载和批量化生产降低成本的目的，必须要探索一种新方法来解决这一问 题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种集成式微型杜瓦内管及实现方法，可以降低集成式微型 杜瓦内管的热负载，同时满足批量化生产及降低成本的要求。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：集成式微型杜瓦内管由冷指基座1、冷指2、冷头3组 成，如图1所示。
[0006] 所述的冷指基座1的形状如空心凸台状，材料选用不锈钢304L。冷指基座1内部有 圆形的焊料槽孔1 〇 1、冷指导向孔102、冷指定位孔103和耦合密封孔104。焊料槽孔101的直 径比冷指2的外圆直径大0.6mm-lmm，深度为0.5mm-lmm。冷指导向孔102的直径比冷指2的外 圆直径大0.005111111-0.011]1111，深度为11]1111-31]11]1。冷指定位孔103的直径比冷指2的内圆直径小 1謹-1.3謹，深度为0.5謹-1.5謹。親合密封孔104的直径为11.9謹-12.1謹，深度为12謹-13_。冷指基座1的圆柱面外边有一圆形凸边105,在圆形凸边105的下端面有一条圆形凹槽 106，槽深为 0.5mm-〇. 6mm，槽宽为0.9mm-1 . 1mm。
[0007] 所述的冷指2的形状如空心圆柱体状，材料选用不锈钢304L、钛合金TC4或GH605。 冷指2的内圆直径为7.5mm-7.7mm，冷指2的外圆直径根据需要，分别加工成直线型、倒锥型 或下端加粗的阶梯型，其零件加工后的靠近冷头3端的壁厚为0. lmm-0.3mm，冷指2的总高度 为46mm-47mm〇
[0008] 所述的冷头3材料选用4J32或4J29。其圆柱面下端有一圆形凸台状的气体膨胀台 301，气体膨胀台301的外径比冷指2的内圆直径大0.005111111-0.0151]1111，高度为11]1111-21111]1。气体 膨胀台301的外侧有一环形凸边焊料装载台302,焊料装载台302的内径比冷指2的外圆直径 大0.6mm-lmm，焊料装载台302高度比气体膨胀台301的高度低0.5mm-l .5mm。冷头3上端的器 件安装台303的外径为14.9mm_15 · 1mm，厚度为0 · 5mm_0 · 6mm〇
[0009] 将冷指2的下端面插入冷指基座1的冷指导向孔102,采用钎焊的方式将其焊成一 体，再将冷指2的上端面插入冷头3的焊料装载台302,将冷头3与冷指1钎焊成一体。
[0010] 本发明一种集成式微型杜瓦内管的制备方法如下：
[0011] (1)在零件机加工时，集成式微型杜瓦内管直径的尺寸需要比成品时的直径小 0.2mm-0.4mm。冷指2采用机械加工成型或采用冷拔成型，在成型后先进行珩磨加工使其圆 柱度低于〇.〇3mm;冷头3上端的器件安装台303在机加工成型时厚度比设计尺寸厚0. lmm-0.2mm;将冷指2的下端面插入冷指基座1的冷指导向孔102处，在冷指基座1的焊料槽孔101 与冷指2外圆直径间的间隙内添加焊料，焊料均匀饱满的填入配合间隙内，放入真空钎焊 炉，真空度低于lXl(T 3Pa。在焊料熔点的基础上增加10°C_30°C作为焊接温度，保持5-10min 进行焊接。如果冷指2的材料选用不锈钢或GH605,则焊料选用铁镍合金(牌号DHNi-C);如果 冷指2的材料采用选用TC4,则焊料选用钛基焊料(牌号40Ti20Zr20Cu20Ni)。
[0012] (2)在冷指2内孔内塞入专用芯棒，以专用芯棒为基准加工冷指2的外圆周面和冷 指基座1的耦合密封孔104到所需要的尺寸，同时确保耦合密封孔104与冷指2内孔的同轴度 低于 0 · 02mm〇
[0013] (3)在专用工装的辅助下，对冷指2的内圆进行珩磨，使得冷指2内圆的粗糙度低于 RaO. 4，圆度低于0.02mm，圆柱度低于0.03mm。
[0014] (4)将冷头3下端的气体膨胀台301插入芯柱2的上端后倒置，在冷头3焊料装载面 302的内侧与冷指2外圆配合的间隙处填入焊料。焊料选用银铜料(牌号Ag72Cu28)，放入真 空钎焊炉，真空度低于lXl(T 3Pa，在焊料熔点的基础上增加10°C_30°C作为焊接温度，保持 5-20分钟进行焊接。
[0015] (5)将冷头3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。
[0016] (6)对冷头3的器件安装台303的上端面进行车削，把预留的余量加工到设计尺寸。 再利用专用工具对冷指内孔进行研磨，确保冷指2内圆的圆柱度低于0.02mm。
[0017] (7)用专用工装对已制备好的集成式微型杜瓦内管进行检漏，当漏率小于3ΧΠΓ nPa. m3/s时，检漏合格，如图2所示。
[0018] (8)利用专用工装在已制备好的集成式微型杜瓦内管的内腔充入5MPa的氦气进行 检漏，当漏率小于3 X 10_nPa .m3/s时，检漏合格，如图3所示。
[0019] (9)利用专用工装，向已制备好的集成式微型杜瓦内管的内腔倒入适量液氮，使集 成式微型杜瓦内管的冷头冷却到所需温度77K。当液氮表面蒸发至冷指基座1与冷指2钎焊 的焊缝处时，将氦气充入至冷管内，进行检漏，当漏率小于3Xl(T nPa.m3/S时，检漏合格。当 液氮快消耗完时，将氦气充入至冷管内，进行检漏，当漏率小于3Xl(T nPa.m3/S时，检漏合 格，如图4所示。
[0020] 以上就完成了集成式微型杜瓦内管的制备。
[0021] 本发明的优点是：
[0022] (1)本发明的结构简单，操作方便，成本低廉；
[0023] (2)兼容性好，应用于各种集成式红外探测器组件；
[0024] (3)可降低杜瓦内管的热负载，利于批量化生产，降低成本。
【附图说明】
[0025] 图1为集成式微型杜瓦内管总图：
[0026] 图中：1一冷指基座；
[0027] 101一焊料槽孔；
[0028] 102-冷指导向孔；
[0029] 103-冷指定位孔；
[0030] 104-耦合密封孔；
[0031] 105-圆形凸边；
[0032] 106-圆形凹槽；
[0033] 2-冷指；
[0034] 3-冷头；
[0035] 301-气体膨胀台；
[0036] 302-焊料装载台；
[0037] 303-器件安装台。
[0038] 图2为集成式微型杜瓦内管常温常压检漏装置图。
[0039] 图3为集成式微型杜瓦内管常温高压检漏装置图。
[0040] 图4为集成式微型杜瓦内管低温常压检漏装置图。
[0041] 图5为集成式微型杜瓦内管阶梯型冷指图。
[0042] 图6为集成式微型杜瓦内管倒锥形冷指图。
【具体实施方式】
[0043]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：
[0044]实施例1为GH605集成式微型杜瓦内管：
[0045]如图1所示，冷指基座1的材料选用不锈钢304L，其圆柱上端有圆形的焊料槽孔 101，直径为9 ± 0 · 1mm，深度为1mm。冷指导向孔102的直径为8 mm，深度为1 · 5mm。冷指定 位孔103的直径为7, 6 mm，深度为0 · 5mm。耦合密封孔104的直径为12 ± 0 · 1mm，深度为 12 · 6mm。圆形凸边105的外径为31 · 9mm，高度为3 · 6mm。圆形凹槽106的外径为27mm，槽宽为 1mm，槽深为0.6mm。冷指2的形状如空心圆柱体状，材料选用GH605，内圆直径为7. 6mm, 外圆直径8: mm，冷指2的长度为46.5mm。冷指2采用冷拔成型，在成型后进行珩磨加工使 其圆柱度优于0.03mm。冷头3材料选用4J32,冷头3的气体膨胀台301的外圆直径为 7. 6 mm，深度为1.5mm。气体膨胀台301的外侧有一环形凸边焊料装载台302，焊料装载台 302的内径为8.8±0.1mm，深度为0.6mm，焊料装载台302的高度比气体膨胀台301的高度低 0.5mmmm。冷头3上部分的器件安装台303在机加工成型后的高度比集成式微型杜瓦内管的 成型高0.2_。本实施例1的步骤如下：
[0046] (1)将冷指2的下端面插入冷指基座1的冷指导向孔102处，在冷指基座1的焊料槽 孔101与冷指2之间的间隙内添加铁镍合金焊料(牌号DHNi -C )，铁镍合金焊料均匀饱满的填 入配合间隙内，放入真空钎焊炉。真空度优于lXl(T3Pa，焊接温度为1055Γ，保持15min进行 焊接。
[0047] (2)将专用芯棒塞入冷指2的内孔，以专用芯棒为基准加工冷指2的外圆周面和冷 指基座1的耦合密封孔104，耦合密封孔104的加工直径为12 mm，同时确保耦合密封孔 104与冷指2内孔的同轴度优于0.02mm。
[0048] (3)对冷指2的内圆进行珩磨，使得冷指2的内圆粗糙度优于RaO. 4，内圆的圆周度 优于0. 〇2_，圆柱度优于0.03_。
[0049] (4)将冷头3下端的气体膨胀台301插入芯柱2的上端后倒置，在冷头3的焊料装载 台302的内侧与冷指2外圆配合的间隙处填入焊料。焊料选用银铜焊料(牌号:Ag72Cu28)，放 入真空钎焊炉，真空度优于lX10_3Pa，焊接温度为81(TC，保持10分钟进行焊接。
[0050] (5)将冷头3完全浸入液氮内，浸泡时间3分钟取出，室温保持时间7分钟，重复8次。
[00511 (6)对冷头3的器件安装台303的上进行车削，把预留的余量加工到66.5±0.02mm。 利用专用工具对冷指2的内孔进行研磨。确保冷指2内圆的圆柱度优于0.02_。
[0052] (7)用专用工装对已制备好的集成式微型杜瓦内管进行常温检漏。专用工装的原 理如附图2所示，专用工装包括检漏口座、检漏测试管和固定压块。将专用工装与集成式微 型杜瓦内管通过密封介质(0型圈）密封，拧入四个螺钉进行压紧。将安装好专用工装的集成 式微型杜瓦内管通过检漏测试管插入检漏仪，启动仪器，向集成式微型杜瓦内管内腔喷吹 氦气，当漏率小于3 X 10_nPa.m3/S时，检漏合格。
[0053] (8)利用专用夹具对已制备好的集成式微型杜瓦内管进行加压检漏。专用夹具的 原理如附图3所示，专用夹具包括检漏口座、检漏测试管、固定盖帽和充气夹封管。将专用夹 具与集成式微型杜瓦内管通过密封介质(〇型圈）密封，拧入四个螺钉进行压紧，再通过充气 夹封管向杜瓦内管的内腔充入5MPa的氦气，夹封充气夹封管。将安装好专用夹具的集成式 微型杜瓦内管通过检漏测试管插入检漏仪，启动仪器，当漏率小于3 X l(TnPa.m3/s时，检漏 合格。
[0054] (9)利用专用工装对已制备好的集成式微型杜瓦内管进行低温检漏，如附图4所 示。将专用工装与集成式微型杜瓦内管通过密封介质（〇型圈）密封，拧入四个螺钉进行压 紧。将安装好专用工装的集成式微型杜瓦内管通过检漏测试管插入检漏仪，向集成式微型 杜瓦内管的内腔倒入适量液氮，使集成式微型杜瓦内管冷头冷却到所需温度77K。当液氮表 面蒸发至冷指基座1与冷指2钎焊的焊缝处时，将氦气充入集成式微型杜瓦内管的内腔，进 行检漏，当漏率小于3 X l(TnPa .m3/s时，检漏合格。当液氮快消耗没时，用氦气喷吹芯柱2和 冷头3的焊接部位，进行检漏，当漏率小于3 X l(TnPa.m3/s时，检漏合格。
[0055]以上就完成了 GH605集成式微型杜瓦内管的制备。
[0056]实施例2为TC4集成式微型杜瓦内管：
[0057]如图5所示，冷指基座1的材料选用不锈钢304L，圆柱上端有圆形的焊料槽孔101， 直径为9.8 ± 0.1 mm，深度为1 mm。冷指导向孔10 2的直径为8 · 8 mg mm，深度为1.5mm，冷指定 位孔103的直径为7. mra，深度为0.5_。耦合密封孔104的直径为12_，深度为12.6mm。 圆形凸边105的外径为31.9mm，高度为3.6mm。圆形凹槽106的外径为27mm，槽宽为1mm，槽深 为0.6mm。冷指2为空心圆柱阶梯型，材料选用TC4，内圆直径为7. 6mm，靠近冷头3处的外 圆直径8 mm，长度为37 ± 0 · 1mm;靠近冷指基座1处的外圆直径为8 · 8mm，长度为10mm。冷 指2采用机加工成型，如图5所示。在成型后先进行珩磨加工，使其圆柱度优于0.03_。冷头3 同实施例1 一致。本实施例的步骤如下：
[0058] (1)将冷指2的下端面插入冷指基座1的冷指导向孔102处，在冷指基座1的焊料槽 孔101与冷指2之间的间隙内添加钛基焊料(40Ti20Zr20Cu20Ni)。钛基焊料均匀饱满的填入 配合间隙内，放入真空钎焊炉，真空度优于1 X l〇_3Pa，焊接温度为910°C，保持15分钟进行焊 接。
[0059] (2)在冷指2内孔内塞入专用芯棒，以专用芯棒为基准加工冷指2外圆周面和冷指 基座1的耦合密封孔104，冷指基座1的耦合密封孔104的直径为12Smm，同时确保耦合密 封孔104与冷指2内孔的同轴度优于0.02_。
[0060] (3)对冷指2的内圆进行珩磨，使得冷指2的内圆粗糙度优于RaO. 4，内圆的圆周度 优于0.02mm以及圆柱度优于0.03mm。
[0061] (4)重复实施例1的步骤(4)-(9)完成了 TC4集成式微型杜瓦内管的制备。
[0062] 实施例3为不锈钢集成式微型杜瓦内管：
[0063] 如图6所示，冷指基座1同实施例2-致。冷指2为倒锥型，采用机加工成型，材料选 用不锈钢316L，。冷指2内圆直径为7. 61= mm，靠近冷头3处的外圆直径为8：^ mm，靠近 冷指基座1处的外圆直径为8.8mm，总长度为46.5mm。靠近冷指基座1处的外圆直径为 8. 8:= mm，.长度为6±0· 1mm，余下长度直径为从8mm过渡到8.8mm。在成型后进行?行磨加 工，使其圆柱度优于0.03mm，如附图6所示。冷头3同实施例1和2-致。本实施例的步骤同实 施例1的步骤一致，重复实施例1的步骤（1)-(9)就完成了不锈钢集成式微型杜瓦内管的制 备。
【主权项】
1. 一种集成式微型杜瓦内管，包括冷指基座（1)、冷指(2)、冷头(3)，其特征在于： 所述的冷指基座（1)的形状如空心凸台状，材料选用不锈钢304L，冷指基座（1)内部有 圆形的焊料槽孔（101)、冷指导向孔（102)、冷指定位孔（103)和耦合密封孔（104)，焊料槽孔 (101)的直径比冷指(2)的外圆直径大0.6mm-lmm，深度为冷指导向孔（102)的直 径比冷指(2)的外圆直径大0.005臟-0.01111111，深度为1臟-3111111 ;冷指定位孔（103)的直径比冷 指（2)的内圆直径小1mm-1 · 3mm，深度为0 · 5mm_ 1 · 5mm;親合密封孔（104)的直径为11 ·6mm-11.8mm，深度为12mm-13mm;冷指基座（1)的圆柱面外边有一圆形凸边（105)，在圆形凸边 (105)的下端面有一条圆形凹槽(106)，槽深为0.5mm-0.6mm，槽宽为0.9mm_l. 1mm; 所述的冷指（2)的材料选用不锈钢304L、钛合金TC4或GH605 ;冷指（2)的内圆直径为 7.5mm-7.7mm，冷指(2)的外圆直径根据需要加工成直线型、倒锥型或下面加粗的阶梯型，其 零件加工后靠近冷头(3)端的壁厚为0. lmm-〇.3mm，冷指(2)的总高度为46mm-47mm; 所述的冷头（3)材料选用4J32或4J29,其圆柱面下端有一圆形凸台状的气体膨胀台 (301 )，气体膨胀台（301)的外径比冷指（2)的内圆直径大0.005mm-0.015mm，高度为lmm-2mm;气体膨胀台（301)的外侧有一环形凸边焊料装载台（302)，焊料装载台（302)的内径比 冷指（2)的外圆直径大0.6mm-lmm，焊料装载台（302)高度比气体膨胀台（301)的高度低 0 · 5mm_l · 5mm;冷头（3)上端为器件安装台（303)，其外径为14 · 9mm_15 · 1mm，厚度为0 · 5mm- 0.6mm； 将冷指(2)的下端面插入冷指基座（1)的冷指导向孔（102)，采用钎焊的方式将其焊成 一体，再将冷指(2)的上端面插入冷头(3)的焊料装载台（302)，将冷头(3)与冷指(1)钎焊成 一体。2. -种实现如权利要求1所述集成式微型杜瓦内管的方法，其特征在于方法步骤如下： 1) 在零件机加工时，集成式微型杜瓦内管的直径尺寸需要比成品时的直径小〇.2mm- 0.4mm;冷指(2)采用机械加工成型或采用冷拔成型，在成型后先进行珩磨加工使其圆柱度 低于0.03mm;冷头（3)上端的器件安装台（303)在机加工成型时厚度比设计尺寸厚0. lmm-0.2mm;将冷指(2)的下端面插入冷指基座（1)的冷指导向孔(102)处，在冷指基座（1)的焊料 槽孔（101)与冷指(2)外圆直径间的间隙内添加焊料，焊料均匀饱满的填入配合间隙内，放 入真空钎焊炉，真空度低于lXl(T 3Pa，在焊料熔点的基础上增加10°C_30°C作为焊接温度， 保持5-10min进行焊接;如果冷指(2)的材料选用不锈钢或GH605，则焊料选用牌号DHNi-C铁 镍合金;如果冷指(2)的材料采用选用TC4，则焊料选用牌号40Ti20Zr20Cu20Ni钛基焊料； 2) 在冷指(2)内孔内塞入专用芯棒，以专用芯棒为基准加工冷指(2)的外圆周面和冷指 基座（1)的耦合密封孔(104)到所需要的尺寸，同时确保耦合密封孔(104)与冷指(2)内孔的 同轴度低于0.02mm; 3) 在专用工装的辅助下，对冷指(2)的内圆进行珩磨，使得冷指（2)内圆的粗糙度低于 RaO. 4,圆度低于0.02mm，圆柱度低于0.03mm; 4) 将冷头(3)下端的气体膨胀台（301)插入芯柱(2)的上端后倒置，在冷头(3)焊料装载 台（302)的内侧与冷指(2)外圆配合的间隙处填入焊料，焊料选用牌号Ag72Cu28银铜料，放 入真空钎焊炉，真空度低于lXl(T 3Pa，在焊料熔点的基础上增加10°C_30°C作为焊接温度， 保持5-20分钟进行焊接； 5) 将冷头（3)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) 对冷头（3)的器件安装台（303)的上端面进行车削，把预留的余量加工到设计尺寸； 再利用专用工具对冷指(2)内孔进行研磨，确保冷指(2)内圆的圆柱度低于0.02_; 7) 用专用工装对已制备好的集成式微型杜瓦内管进行检漏，当漏率小于3Xl(TnPa.m3/ s时，检漏合格； 8) 利用专用工装在已制备好的集成式微型杜瓦内管的内腔充入5MPa的氦气进行检漏， 当漏率小于3X10_nPa.m 3/s时，检漏合格； 9) 利用专用工装，向已制备好的集成式微型杜瓦内管的内腔倒入适量液氮，使集成式 微型杜瓦内管的冷头(3)冷却到所需温度77K;当液氮表面蒸发至冷指基座（1)与冷指(2)钎 焊的焊缝处时，将氦气充入至冷管内，进行检漏，当漏率小于3 X l(TnPa .m3/s时，检漏合格； 当液氮快消耗完时，将氦气充入至冷管内，进行检漏，当漏率小于3Xl(T nPa.m3/S时，检漏 合格。
【文档编号】G01J5/02GK106092329SQ201610538849
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】王小坤, 张珏颖, 孙闻, 王煜宇, 陈俊林, 曾智江
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所