内置水循环系统的TEC电制冷CCD杜瓦

摘要

本发明提供一种内置水循环系统的TEC电制冷CCD杜瓦，包括真空杜瓦腔体、CCD探测器、TEC制冷器、水循环散热系统、分子筛，所述CCD探测器、TEC制冷器、水循环散热系统、分子筛设置在真空杜瓦腔体内部；所述TEC制冷器的冷端与CCD探测器热导通，TEC制冷器的热端与水循环散热系统热导通。本发明综合了TEC制冷技术、分子筛真空维持技术和内置水循环散热技术等多项技术,保证TEC制冷器产热端能够高效散热使TEC达到较大温差,成功地使4K*4K的大面阵CCD温度可降至低于-50～-70℃，且降温速度快，真空维持时间长，体积小，质量轻，能进行任意角度观测，可直接用于高精度测光。

说明书

技术领域

本发明属于天文CCD真空制冷杜瓦技术领域，具体涉及一种内置水循环系 统的TEC电制冷CCD杜瓦。

背景技术

随着当代天文学的飞速发展，天文望远镜观测的目标已经有能力指向那些 宇宙更深处、距离地球更为遥远的目标。目标越遥远，我们利用CCD探测器能 够接收到的光信号也就更为暗弱。

传统方法，人们会将CCD探测器设置在液氮真空杜瓦内,杜瓦中的CCD相当 于人的眼睛，放到天文望远镜的目镜的地方，利用液氮杜瓦将CCD探测器的工 作温度降至-50～-100℃，以此来压制CCD电路的暗电流和热噪声，从而得到信 噪比更高的光信号图像。液氮杜瓦的优点是冷量足，且没有任何震动，但是它 也具有很多不足之处：

第一，在长时间曝光成像时，望远镜需要对目标进行跟踪，液氮杜瓦安装 在望远镜后端焦面位置，也会跟随望远镜同步转动，这就要考虑液氮口的姿态， 防止液氮杜瓦在转到某一角度，加液氮口过低导致液氮外流，损坏望远镜设备， 这样就导致不能随时进行任意角度观测。

第二，液氮杜瓦体积和质量都比较大，它设计有一个2～3升的液氮腔体在 装载液氮，保证液氮维持一个观测夜。传统液氮杜瓦体积一般都在 300mm*400mm的圆柱大小，质量10约公斤或者更大。较大的质量和体积对望 远镜负载设计要提出明确要求。

第三，液氮杜瓦需要每天维护。液氮杜瓦正常运行时，需要每天添加液氮 来保证一个观测夜的制冷需求，人工维护和液氮耗费量都需要考虑。

第四，在一些高精度测光成像系统中，由于液氮杜瓦加液口的是加注液氮 和液氮气化的路径，液氮口的温度一般会比较低，低于其它区域，很容易在成 像焦面区域形成由于温度梯度引起的空气对流，使CCD像质变坏，不能满足高 精度、高分辨测光要求，需要另外设计更为复杂的系统来弥补这个不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种内置水循环系统的TEC电制冷CCD 杜瓦，采用TEC制冷技术、分子筛和内置水循环散热技术等技术来保证系统运 行的温度要求，降温速度快，制冷绝对温度低、真空维持时间长，体积小，质 量轻，能进行任意角度观测，可直接用于高精度测光。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种内置水循环系统的TEC电制冷CCD杜瓦，包括真空杜瓦腔体、CCD 探测器、TEC制冷器、水循环散热系统、分子筛，所述CCD探测器、TEC制冷 器、水循环散热系统、分子筛设置在真空杜瓦腔体内部；所述TEC制冷器的冷 端与CCD探测器热导通，TEC制冷器的热端与水循环散热系统热导通。

优选地，所述真空杜瓦腔体为包括真空腔体外筒、真空腔体上法兰、光学 封窗玻璃、杜瓦真空抽口、密封圈、真空腔体下法兰和航空密封插座的密封真 空腔体；所述真空腔体外筒上端与真空腔体上法兰、光学封窗玻璃连接，下端 与真空腔体下端盖密封连接，所述真空腔体下端盖与航空密封插座密封连接； 所述杜瓦真空接口与真空腔体外筒焊接在一起；所述真空杜瓦腔体内的电路与 航空密封插座连接。

优选地，所述真空腔体外筒的材料包括以下重量份数的铬、镍、铁元素， 其中铬的组分18-20份，镍的组分8-11份，铁的组分65.845-70.845份。

优选地，所述真空腔体上法兰、杜瓦真空抽口、真空腔体下法兰的材料均 采用不锈钢。

优选地，所述TEC制冷器选用三级半导体制冷片，该三级半导体制冷片采 用陶瓷材料，外表采用离子束溅射工艺镀上一层铜薄膜，该铜薄膜的厚度为 100～500nm。

优选地，所述CCD探测器固定设置于CCD保护安装座。

优选地，所述TEC制冷器设有TEC冷端导热块，该TEC冷端导热块与CCD 探测器连接进行热导通，用于高效热传导。

优选地，所述TEC制冷器还设有TEC热端导热块，该TEC热端导热块与 水循环散热系统连接，用于高效热传导。在TEC制冷器冷端给CCD探测器制 冷的同时，TEC热端产生的大量热由水循环系统快速带走而无累积。

优选地，所述水循环散热系统是由水循环腔室、水循环腔体密封底座、聚 四氟隔热支撑架、进水管和出水管组成；所述水循环腔室固定设置于水循环腔 体密封底座,所述分子筛固定设置于水循环腔室；所述聚四氟隔热支撑架与水循 环腔室通过螺栓连接。

优选地，所述进水管和出水管平行设置，且一端通过焊接与水循环腔室密 封连接，另一端穿过真空杜瓦腔体的不锈钢外壁，由聚四氟材料密封。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)本发明在真空杜瓦腔体内设置CCD探测器、三级TEC制冷器、水循环 散热系统和优选型号的分子筛，利用三级TEC制冷器制冷温差大、快速简单制 冷、内置分子筛长时间维持较高真空度防止热对流和内置水循环的高效散热使 TEC冷端达到较低制冷温度等优点，只需要加电就可以达到强制冷和维持高真 空的目的，抛弃了繁琐的频繁加注液氮和抽真空的工作,有效解决了原先频繁操 作加液氮的难题。

2)相对于液氮杜瓦，本发明杜瓦体积小，无特殊要求的情况下，体积一般 小于100mm*100mm的圆柱，质量小于5公斤，对于望远镜负载能力要求小。

3)本发明采用三级TEC制冷器进行制冷，30分钟内可使4000*4000像素， 像素尺寸15微米的大面阵CCD温度降至低于-50～-70℃,降温速度快，适用于 非MPP型CCD短时间快速曝光观测和MPP型(IMO型)CCD的长时间曝光。在 电力保证的条件下，本发明不需要每日进行特殊维护，除电力之外也无其它耗 费，节能环保。

4)本发明采用分子筛作为气体吸附剂,通过给分子筛强力制冷,使其吸附能 力倍增,可以长时间维持杜瓦较高真空度,经过实验证明通常可将杜瓦真空度维 持在10E-5mbar达6个月，满足一个冬季观测季。

5)传统液氮杜瓦有加注液氮的液氮口，为了防止液氮流出，观测时成像系 统不能转至某些角度；而本发明可以在任意角度、姿态工作。

6)本发明采用真空杜瓦内置水循环散热系统，可高效带走TEC热端产生的 高达70-100瓦热量，而杜瓦外壁温度无明显变化外，不会导致望远镜成像焦面 因散热差存在较大温度差产生气流扰动，导致成像相差，因此它更适用于高精 度和高分辨率测光。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为杜瓦真空腔体的结构示意图；

图3为CCD探测器的安装结构示意图；

图4为水循环散热系统的结构示意图；

图5为进水管、出水管与真空腔体外筒的连接关系示意图；

其中，1-杜瓦真空腔体、2-CCD探测器、3-三级半导体制冷片、4-水循环 散热系统、5-真空腔体外筒、6-真空腔体上法兰、7-光学封窗玻璃、8-杜瓦真空 抽口、9-密封圈、10-真空腔体下法兰、11-航空密封插座，12-CCD保护安装座、 13-TEC冷端导热块、14-TEC热端导热块、15-水循环腔室、16-聚四氟隔热支撑 架、17-水循环腔体密封底座、18-分子筛19-进水管、20-出水管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

实施例1

如图1、3、4所示,本实施例的杜瓦真空腔体1内部设有CCD探测器2、TEC 制冷器、水循环散热系统4和分子筛18。所述TEC制冷器选用三级半导体制冷 片3,该三级半导体制冷片3采用陶瓷材料，外表采用离子束溅射工艺镀上一层 铜薄膜，该铜薄膜的厚度为100～500nm，利于热传导；所述三级半导体制冷片 3设有TEC冷端导热块13和TEC热端导热块14，所述铜薄膜和TEC热端导热 块14热导通；所述TEC冷端导热块13与CCD探测器2连接，所述CCD探测 器2由CCD保护安装座12固定。所述TEC导热块14与水循环散热系统4连 接。

如图2所示，所述真空杜瓦腔体1为包括真空腔体外筒5、真空腔体上法兰 6、光学封窗玻璃7、杜瓦真空抽口8、氟橡胶密封圈9、真空腔体下法兰10和 航空密封插座11的密封真空腔体；所述真空腔体外筒5上端与真空腔体上法兰 6连接，所述光学封窗玻璃7与连接真空腔体外筒5之间密封连接，所述真空腔 体外筒5下端与真空腔体下端盖10密封连接，所述真空腔体下端盖10与航空 密封插座11密封连接；所述杜瓦真空接口8与真空腔体外筒5焊接在一起；所 述杜瓦内的电路与航空密封插座11连接。

所述真空腔体外筒5包括以下重量份数的铬、镍、铁元素，其中铬的组分 18份，镍的组分11份，铁的组分65.845份。

如图1、4、5所示，所述水循环散热系统4是由水循环腔室15、水循环腔 体密封底座17、聚四氟隔热支撑架16、进水管19和出水管20组成；所述水循 环腔室15固定设置于水循环腔体密封底座17；所述聚四氟隔热支撑架16与水 循环腔室15通过螺栓连接。所述进水管19和出水管20一端通过焊接与水循环 腔室15密封连接，另一端穿过真空杜瓦腔体1的不锈钢外壁并密封。

使用时，将TEC制冷器的电路、CCD探测器2的电路插座等电缆焊接在真 空杜瓦腔体1内的航空密封插座11；安装CCD探测器2；将本发明安装在望远 镜后端连接法兰，使CCD成像靶面在望远镜焦面位置。

连接真空杜瓦腔体1外航空密封插座11的电缆，连接水循环散热系统的出 水管20和入水管19；将分子泵组连接到杜瓦真空抽口8，进行抽真空处理，要 求抽到杜瓦内部真空杜在10E-2mbar真空度以上，关闭杜瓦抽口阀门。开始水 路循环；开启CCD探测器2和分子筛18的电源，使其开始工作，慢慢提高杜 瓦真空度，并同时对CCD探测器2制冷：

分子筛18固定设置在水循环腔室15上，通过水冷进行热传导降温，在 10E-2mbar真空度以上开始吸附真空腔体内的残留大气成分和线缆挥发物，分子 筛温度越低，分子筛的吸附能力越强，分子筛可以将真空度提高到10E-6mbar 或10E-6mbar以上，这种较高的真空状态，可以防止气体对流热传递，有效节 省三级半导体制冷片3的制冷能量，提高对CCD探测器2的制冷效率。

所述三级半导体制冷片3通电后一端变冷一端变热，冷端和热端会有一个 温度差。冷端与CCD探测器2热导通，热端与水循环散热系统4热导通，热端 CCD探测器2的热量被水循环散热系统4带走，热量传递效率更高，导热效果 更好，且不会有热量积累。如此热端通过水循环散热系统4的热量不断被带走， 使得冷端连接的CCD探测器2的温度降的更低，在真空和低温的环境下，CCD 探测器2的暗电流和热噪声被压制，能够捕捉极为微弱的电信号，用于观测探 极暗、极远发光星体。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处在于，真空腔体外筒的材料包括以下重量份 数的铬20份，镍8份，铁70.845份。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处在于，所述真空腔体外筒的材料包括以下重 量份数的铬19份，镍10份，铁70份。

本发明上述实施例仅为本专利较好的实施方式，凡采用本技术方案描述的 构造、特征及在其精神原理上的变化、修饰均属于本专利的保护范围。