CN105352217A - 一种用于水冷和风冷散热的热电制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，包括由真空腔体底座和真空腔体上盖围成的真空腔体，真空腔体上盖的顶壁设有封窗玻璃，真空腔体上盖的侧壁设有真空抽气口，真空腔体内设有TEC制冷片、CCD芯片、冷指、温度传感器、电气插头、真空吸附剂；真空腔体底座内设有水循环系统，真空腔体底座下部设有翅片散热器。设计结构简单，且能同时适用风冷散热方式和水冷散热方式的真空杜瓦，使得热电制冷杜瓦可以适应各种场合，灵活使用散热方式。

Description

一种用于水冷和风冷散热的热电制冷装置

技术领域

本发明涉及一种光电探测器制冷技术，尤其涉及一种用于水冷和风冷散热的热电制冷装置。

背景技术

在光电探测器领域，很多探测器都是半导体探测器，半导体探测器对温度特别敏感，尤其在微弱信号探测的时候需要去除由于温度带来的影响，比如对于科学级CCD来说，在室温下，暗电流会带来非常大的影响，对于微弱的信号输入，成像质量会非常差。暗电流是指在没有光照情况下，半导体光电成像器件工作时产生的热电流。它的存在会对光电器件的成像质量造成一定的影响，例如，当CCD器件在暗电流特别大(即暗电流尖峰)时，对应区域的图像上将会出现白斑。暗电流的大小与半导体器件工作时的温度有关，一般每降低5～7℃，暗流就减小一半，因此一般需要制冷到-50到-100℃才能忽略暗电流的影响。在使用科学级CCD进行成像时，必须要将暗电流控制在尽量小的范围，因此需要对科学级CCD进行深度制冷，并维持在一个合适的低温温度。

目前，科学级CCD芯片的制冷主要有热电制冷，压缩机制冷和液氮制冷。压缩机制冷可以深度制冷，制冷温度可以远低于-100℃，但其结构相对复杂，成本也较高，并没有广泛使用。液氮制冷的优点是冷量大，其缺点是液氮罐的体积大，需要经常灌液氮和维护，在一些没法经常灌注液氮的场合是没法使用的。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、制冷效果好、适应性强的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，包括由真空腔体底座和真空腔体上盖围成的真空腔体，所述真空腔体上盖的顶壁设有封窗玻璃，所述真空腔体上盖的侧壁设有真空抽气口，所述真空腔体内设有TEC制冷片、CCD芯片、冷指、温度传感器、电气插头、真空吸附剂；

所述真空腔体底座内设有水循环系统，所述真空腔体底座下部设有翅片散热器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，能达到科学级CCD芯片制冷的需求，设计结构简单，且能同时适用风冷散热方式和水冷散热方式的真空杜瓦，使得热电制冷杜瓦可以适应各种场合，灵活使用散热方式，包括在极端条件下的南极，通过TEC制冷片的制冷使得CCD芯片维持在一个合适的低温温度。适用于半导体热电制冷(TEC)的用于光电传感器的真空杜瓦装置，特别适用于科学级阵列CCD的探测器。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中腔体上盖的结构示意图。

图3为本发明实施例中水循环系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其较佳的具体实施方式是：

包括由真空腔体底座和真空腔体上盖围成的真空腔体，所述真空腔体上盖的顶壁设有封窗玻璃，所述真空腔体上盖的侧壁设有真空抽气口，所述真空腔体内设有TEC制冷片、CCD芯片、冷指、温度传感器、电气插头、真空吸附剂；

所述真空腔体底座内设有水循环系统，所述真空腔体底座下部设有翅片散热器。

所述TEC制冷片的热端固定在所述真空腔体底座上，所述冷指固定在TEC制冷片的冷端，所述CCD芯片固定在所述冷指上，所述温度传感器固定在所述冷指上，所述真空吸附剂固定在所述真空腔体底座上。

所述CCD芯片、TEC制冷片和温度传感器通过所述电气插头与真空腔体外部的CCD控制器和TEC制冷驱动板相连接。

所述水循环系统包括水道、出水口、入水口，所述入水口和出水口接入水冷循环机，所述翅片散热器采用铝或者铜材料，并设有强力风扇。

所述真空腔体上盖与真空腔体底座通过法兰连接，法兰的接触面之间设有氟橡胶密封圈，所述封窗玻璃与真空腔体上盖之间通过环氧树脂密封胶密封，或者将封窗玻璃直接焊接在真空腔体上盖上。

所述真空抽气口焊接在真空腔体上盖的侧壁，所述真空抽气口的外端通过法兰与真空泵及真空计连接。

所述真空腔体上盖和真空抽气口采用304不锈钢材质，所述真空腔体底座采用纯铜材料。

本发明的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，能达到科学级CCD芯片制冷的需求，设计结构简单，且能同时适用风冷散热方式和水冷散热方式的真空杜瓦，使得热电制冷杜瓦可以适应各种场合，灵活使用散热方式，包括在极端条件下的南极，通过TEC制冷片的制冷使得CCD芯片维持在一个合适的低温温度。

本发明的热电杜瓦装置，有导热率高的腔体底座，导热率低刚性强的腔体上盖，能透过各种光信号的封窗玻璃，能帮助维持真空的真空吸附剂，进行制冷的半导体制冷片，温度传感器，导热率高的铜冷指,大散热面积的翅片散热器和适用水冷散热的水循环系统构成。

本发明的热电制冷杜瓦装置由真空腔体，TEC半导体制冷片，冷指，CCD探测器，温度传感器，真空吸附剂，风冷散热器以及水冷循环结构组成。

真空腔体分为上盖，底座以及封窗玻璃组成，上盖侧面留有真空抽气口，底座留有供电气接口的密封电气插头。上盖由导热系数低，强度大的304不锈钢材料，设计成圆筒形状，与底座形成真空法兰接口，在侧面设计一个真空抽气口。底座由导热率高的纯铜材料加工而成，有利于TEC热端的热量能快速的传导到散热片以及水循环系统上，同时提供密封电气插头的电接口，TEC固定接口以及水冷系统所需的水道循环结构。电气插头提供CCD探测器，TEC制冷片所需的电气接口。

TEC制冷片作为制冷的关键部件，其热端通过良好的热接触固定在真空腔体的铜底座上，其冷端通过一个良好的热接触固定由纯铜材料制作的冷指，冷指结构根据TEC的大小和CCD探测器的大小设计。冷指的一端固定在TEC制冷片的冷端上，另一端和CCD探测器形成良好的热接触，CCD探测器中的冷量通过冷指，TEC制冷片，铜底座，最后传到到散热片或水循环系统中，使得CCD探测器上的温度能达到-60～-100℃。

为了实现良好的制冷效果以及防止水汽结露，整个腔体需要通过一个真空抽气口抽真空，同时为了能长时间维持真空，需要在腔体中放置真空吸附剂。

为了进行快速有效的散热，真空腔底座使用纯铜材料制作，作为整个散热系统的一部分，在底座的外侧设计了水循环系统，水循环系统由水道和入水管，出水管组成，在使用水循环系统时，外接水冷却循环机，TEC热端的热量通过铜底座能迅速的进入水道中的冷却水，并通过水循环系统带走，进入水冷却循环机中。如果不使用水循环散热系统，TEC热端的热量则仍然可以通过铜底座传导到翅片散热器中，翅片散热器可以使用铝或者铜等导热率高的材料制作，通过风扇，把热量快速散到空气中。

温度传感器安装在冷指上。温度传感器和TEC制冷片通过真空腔底座的电气插头，接到外部驱动电路上进行TEC制冷控制。CCD探测器同样通过真空底座的电气插头连接到CCD控制器的驱动电路和数据采集电路上，进行CCD探测器的时序驱动和数据采集。

本发明的原理是：

步骤(一)真空杜瓦设计；

为了维持良好的真空以及快速的散热，真空杜瓦腔体底座使用导热率良好的纯铜，底座上设计真空级密封电气插头接口，TEC固定接口，和腔体上盖结合部分设计成法兰形式进行固定，真空杜瓦腔体上盖使用导热率低的304不锈钢，在上部提供封窗玻璃的位置，在侧面提供真空抽气口，封窗玻璃根据CCD探测器的要求进行设计和加工。封窗玻璃通过密封胶或者直接焊接固定在上盖上,保持良好的密封性。

步骤(二)散热系统设计：

散热系统由导热良好的铜底座，翅片散热器，底座中的水循环系统组成，在铜底座的外侧设计用于水循环的水道以及入水管和出水管，使用铝或者铜材料设计导热良好，散热面积大的翅片散热器，在使用风冷散热模式加快热量的散去。

步骤(三)制冷系统设计：

使用三阶到六阶的TEC制冷片来对CCD芯片进行制冷，根据制冷量的不同要求，选择合适阶数的TEC制冷片，制冷片和导热铜底座，冷指有良好的热接触，冷指上面固定CCD芯片和温度传感器，TEC制冷片的驱动线和温度传感器的信号线通过底座上的电气插头连到腔体外的TEC制冷驱动板。

步骤(四)真空系统组装和维持：

真空腔体的组装完成之后，放入真空吸附剂，使用真空泵进行真空抽取，真空度可以抽到10E-3Pa。通过制冷驱动板对TEC制冷系统进行制冷，使得CCD芯片的温度维持在设定的温度。制冷驱动板可以通过和电脑的控制接口进行目标温度的设定，制冷系统启动和关闭，当前温度的查询等功能。

具体实施例：

如图1、图2、图3所示，包括真空腔体1，真空抽气口2，真空腔体底座3，封窗玻璃4，真空腔体上盖5，TEC制冷片6，CCD芯片7，冷指8，温度传感器9，电气插头10，真空吸附剂11，水循环系统12，翅片散热器13。真空腔体1由真空腔体底座3，真空腔体上盖5以及封窗玻璃4密封而成，真空腔体上盖5和真空腔体底座通过法兰17、18连接，中间使用氟橡胶密封圈进行密封，封窗玻璃4和真空腔体上盖5通过环氧树脂密封胶进行密封，或者采用直接焊接技术，把封窗玻璃4直接焊接在真空腔体上盖5上。真空腔体上盖5的侧面焊接有真空抽气口2，通过法兰形式和真空泵及真空计相连，进行抽真空。真空腔体上盖5使用304不锈钢，真空腔体底座3使用纯铜材料以利于TEC热端的快速散热，封窗玻璃根据光学需求进行定制。

TEC制冷片6的热端通过良好的热接触固定在真空腔体底座3上，冷指8通过良好的热接触固定在TEC制冷片的冷端，CCD芯片7通过良好的热接触固定在冷指上，同时冷指上固定温度传感器9。

为了维持真空度，在底座上固定了真空吸附剂11。

为了进行水冷散热，在真空腔体底座的外侧设计了水循环系统，如图3所示，包括水道14，出水口15，入水口16。入水口16，出水口15接入水冷循环机，即可启动水冷循环机进行水冷散热。

风冷散热方式通过翅片散热器13进行散热，翅片散热器13使用导热率高的铝或者铜来制作，并通过强力风扇进行散热。

CCD芯片7，TEC制冷片6，温度传感器9通过电气插头10和真空腔外面的CCD控制器，TEC制冷驱动板相连接，完成制冷系统的驱动和CCD芯片的时序控制和数据采集。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其特征在于，包括由真空腔体底座和真空腔体上盖围成的真空腔体，所述真空腔体上盖的顶壁设有封窗玻璃，所述真空腔体上盖的侧壁设有真空抽气口，所述真空腔体内设有TEC制冷片、CCD芯片、冷指、温度传感器、电气插头、真空吸附剂；

所述真空腔体底座内设有水循环系统，所述真空腔体底座下部设有翅片散热器。

2.根据权利要求1所述的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其特征在于，所述TEC制冷片的热端固定在所述真空腔体底座上，所述冷指固定在TEC制冷片的冷端，所述CCD芯片固定在所述冷指上，所述温度传感器固定在所述冷指上，所述真空吸附剂固定在所述真空腔体底座上。

3.根据权利要求2所述的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其特征在于，所述CCD芯片、TEC制冷片和温度传感器通过所述电气插头与真空腔体外部的CCD控制器和TEC制冷驱动板相连接。

4.根据权利要求1所述的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其特征在于，所述水循环系统包括水道、出水口、入水口，所述入水口和出水口接入水冷循环机，所述翅片散热器采用铝或者铜材料，并设有强力风扇。

5.根据权利要求1所述的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其特征在于，所述真空腔体上盖与真空腔体底座通过法兰连接，法兰的接触面之间设有氟橡胶密封圈，所述封窗玻璃与真空腔体上盖之间通过环氧树脂密封胶密封，或者将封窗玻璃直接焊接在真空腔体上盖上。

6.根据权利要求1所述的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其特征在于，所述真空抽气口焊接在真空腔体上盖的侧壁，所述真空抽气口的外端通过法兰与真空泵及真空计连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的用于水冷和风冷散热的热电制冷装置，其特征在于，所述真空腔体上盖和真空抽气口采用304不锈钢材质，所述真空腔体底座采用纯铜材料。