CN105758057A

CN105758057A - 一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器及其制备方法

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Publication number: CN105758057A
Application number: CN201410798570.XA
Authority: CN
Inventors: 马洪奎; 安晓雨; 陈学军; 梁亮; 杨文昭
Original assignee: CETC 18 Research Institute
Current assignee: CETC 18 Research Institute
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-07-13

Abstract

本发明涉及圆形带中孔结构微型温差电致冷器及其制备方法。本发明属于温差电技术领域。圆形带中孔结构微型温差电致冷器，为圆形带中孔结构，热面陶瓷片和冷面陶瓷片间均匀排布有温差电元件39对；温差电致冷器厚度为2.7mm～2.8mm，温差电元件间距为0.4-0.5mm。圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法，陶瓷板将紫铜通过高温烧结工艺烧结在基板表面，采用自动切割机进行圆形中孔陶瓷板的加工；温差电元件采用激光切割，排布成圆形中孔结构，焊接形成陶瓷片，采用工装进行定位，保证冷面陶瓷片、热面陶瓷片的对中性；焊接引线得到圆形带中孔结构微型温差电致冷器。本发明具有体积小、重量轻、圆形中孔结构等优点，适用于武器装备、空间小功耗产品制冷与控温。

Description

一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器及其制备方法

技术领域

本发明属于温差电技术领域，特别是涉及一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器及其制备方法。

背景技术

目前，致冷器空间应用发展迅速，极大地推进了空间用致冷器实用化技术研究。地面武器装备具备更加良好的应用环境，特别是对绝大多数的武器装备均能采用自然散热、风冷或者水冷等散热模式实现武器装备正常、可靠的工作。但是，随着武器装备系统打击精度的提高，对导航、制导控制系统的要求越来越高，随即引入大量的高精度、大功率的运算芯片，这些芯片体积很小，局部发热量很大，无法通过传统的自然散热、风冷方式解决尤其是不适合采用水冷的场合必须采用主动控温技术，对局部大功耗芯片实施主动致冷，强迫其降温，从而达到其控制精度要求的温度。现有的温差电致冷器体积大、重量大、没有圆形中孔的结构，不适用于武器装备应用等问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器及其制备方法。

本发明产品体积小、重量轻、圆形中孔的结构，适用于武器装备、空间用小功耗有源部件、元器件、光电产品和无源部件、光纤产品的制冷与控温，通过其控温功能实现目标体的性能有效提升。

本发明的技术创新点：

1、采用圆形带中孔结构微型温差电致冷器，满足螺杆结构安装需要；

2、一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器，元件尺寸小，采用高精度自动切割系统实现圆形中孔陶瓷片的加工，利用金刚刀具保证切割精度，保证陶瓷片的机械强度，免受机械损伤，保证致冷器的可靠性；

3、采用0.3mm厚度的≥99％低孔隙率的三氧化二铝陶瓷基片，保证良好导热和机械强度；

4、采用微型温差电元件，降低致冷器工作时的电流，减小电应力对致冷器的冲击。

5、采用专用工装实现定位，保证冷、热面陶瓷片的对中性；

6、采用真空焊接，提高焊接可靠性，避免施焊过程局部氧化降低致冷器可靠性；

7、采用高温焊接工艺，是致冷器具备良好的耐高温性；

8、致冷器具有-55-130℃宽温工作良好的特性，同时致冷器具备良好的耐力学、温度耐久性冲击的能力。

本发明一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器技术采用如下技术方案：

一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器采用的实施路径为，材料制备→表面处理→元件制备→焊接→焊引线→焊老化筛选→致冷器成品；温差电元件采用区域熔炼后的定向稳定的温差电材料，温差电材料的取向性良好，具备良好的热电性能；温差电元件几何尺寸为0.55×0.55×1.5mm³，高面比为H/S＝4.96mm^-1；温差电元件对数为39对；温差电元件采用有限空间最大化设计方法，有效的利用了陶瓷片空间；温差电元件间距为0.45mm；陶瓷片为覆铜板陶瓷片，在其表面烧结覆铜板，提高结合力；陶瓷板的材质为三氧化二铝或氧化铍，纯度≥99％，厚度为0.4mm～0.5mm；覆铜板的材质为T2Y2紫铜板，纯度为≥99.90％，厚度为0.2mm，覆铜板的间距为0.4mm；致冷器的正负极引出线为单股铜线或者单股镀银铜导线；致冷器的结构为外径Φ1＝13mm的圆形结构；致冷器的结构为中孔直径Φ2＝5.5mm的圆形结构；致冷器的厚度为2.7mm～2.8mm；致冷器的焊接采用一体化焊接方式；覆铜板的几何尺寸为0.6×1.6×0.2mm³；引出线焊接位置覆铜板为0.6×2.0×0.2mm³；N、P型温差电元件的排列结构见附图3和图4；致冷器的电流走向见附图5和附图6。

采用专用工装实现定位，保证冷、热面陶瓷片的对中性；采用真空焊接，提高焊接可靠性，避免施焊过程局部氧化降低致冷器可靠性；重量≤1.3g；最大温差ΔTmax：≥68℃；最大温差电压Umax：4.7V±0.4V；最大温差电流Imax：1A±0.1A；最大致冷功率Qcmax：≥2.5W；(13±0.05)mm×(5.5±0.05)mm×(2.8±0.03)mm，平行度＜0.02mm。

致冷器具有-55℃～130℃宽温工作良好的特性，同时致冷器具备良好的耐力学、温度耐久性冲击的能力。

本发明的目的之一是提供一种具有体积小、重量轻、宽温性能良好、耐环境性能优异，适用于低功耗的CCD器件、光电器件、光纤器件的致冷和控温等特点的圆形带中孔结构微型温差电致冷器。

本发明圆形带中孔结构微型温差电致冷器所采取的技术方案是：

一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器，其特点是：圆形带中孔结构微型温差电致冷器包括热面陶瓷片、冷面陶瓷片、P型温差电元件、N型温差电元件、导流片、正极引线和负极引线；P型温差电元件、N型温差电元件由导流片依次串联在一起，引出正极引线和负极引线；温差电致冷器为圆形带中孔结构，热面陶瓷片和冷面陶瓷片为三氧化二铝陶瓷基片，圆形带中孔结构热面陶瓷片和冷面陶瓷片间均匀排布有P型温差电元件和N型温差电元件39对；温差电致冷器厚度为2.7mm～2.8mm，P型温差电元件、N型温差电元件间距为0.4-0.5mm。

本发明圆形带中孔结构微型温差电致冷器还可以采用如下技术方案：

所述的圆形带中孔结构微型温差电致冷器，其特点是：温差电致冷器圆形结构的外径为11-15mm；中孔直径为4-7mm。

本发明的目的之二是提供一种具有工艺可靠、加工方便，产品体积小、重量轻、宽温性能良好、耐环境性能优异，适用于低功耗的CCD器件、光电器件、光纤器件的致冷和控温等特点的圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法。

本发明圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法所采取的技术方案是：

一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法，其特点是：热面陶瓷板、冷面陶瓷板选用三氧化二铝或氧化铍为基板，将紫铜通过高温烧结工艺烧结在基板表面，紫铜的覆铜板的厚度为0.15-0.25mm；采用自动切割机进行圆形中孔陶瓷板的加工；P型温差电元件、N型温差电元件采用激光切割，P型温差电元件、N型温差电元件排布成圆形中孔结构，分别进行焊接形成冷面陶瓷片、热面陶瓷片，采用工装进行定位，保证冷面陶瓷片、热面陶瓷片的对中性；焊接引线得到圆形带中孔结构微型温差电致冷器。

本发明圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法还可以采用如下技术方案：

所述的圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法，其特点是：P型温差电元件、N型温差电元件排布成圆形中孔结构后，采用一体化方式真空焊接形成冷面陶瓷片、热面陶瓷片。

本发明具有的优点和积极效果是：

圆形带中孔结构微型温差电致冷器及其制备方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有的特点：

1、本发明技术的关键部分是温差电元件的集成工艺，如何确保冷热面陶瓷片的对中性和良好吻合性，有效地实现了致冷器的产品化及工程化应用；

2、本发明的研制技术作为微型制冷器研究的先驱，积累微型致冷组件的研制经验，实现微型致冷组件武器装备应用，开拓致冷器全新的武器装备应用领域，推动温差电技术的进步。

3、本发明致冷器具备体积小、重量轻、宽温性能良好、耐环境性能优异等特点，突破了微型致冷组件的制作工艺，致冷组件重量≤1.3g，体积≤305mm³，适用于低功耗的CCD器件、光电器件、光纤器件的致冷和控温。

附图说明

图1是圆形带中孔结构微型温差电致冷器结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

图中，1-热面陶瓷片，2-冷面陶瓷片，3-P型温差电元件，4-N型温差电元件，5-正极引出线，6-负极引出线。

图3、图4是圆形带中孔结构微型温差电致冷器N\P型温差电元件分布示意图；

图5是圆形带中孔结构微型温差电致冷器热面陶瓷片电流流向示意图；

图6是圆形带中孔结构微型温差电致冷器是冷面陶瓷片电流流向示意图；

图7是热面陶瓷片结构示意图；

图8是冷面陶瓷片结构示意图；

图9圆形带中孔结构微型温差电致冷器立体结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1

一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器，包括热面陶瓷片、冷面陶瓷片、P型温差电元件、N型温差电元件、导流片、正极引线和负极引线；P型温差电元件、N型温差电元件由导流片依次串联在一起，引出正极引线和负极引线；温差电致冷器为圆形带中孔结构，热面陶瓷片和冷面陶瓷片为三氧化二铝陶瓷基片，圆形带中孔结构热面陶瓷片和冷面陶瓷片间均匀排布有P型温差电元件和N型温差电元件39对；温差电致冷器厚度为2.75mm，P型温差电元件、N型温差电元件间距为0.4mm。温差电致冷器圆形结构的外径为13mm；中孔直径为5.5mm。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法，其制备过程：热面陶瓷板、冷面陶瓷板选用三氧化二铝或氧化铍为基板，将紫铜通过高温烧结工艺烧结在基板表面，紫铜的覆铜板的厚度为0.15-0.25mm；采用自动切割机进行圆形中孔陶瓷板的加工；P型温差电元件、N型温差电元件采用激光切割，P型温差电元件、N型温差电元件排布成圆形中孔结构，采用一体化方式分别进行真空焊接形成冷面陶瓷片、热面陶瓷片，采用工装进行定位，保证冷面陶瓷片、热面陶瓷片的对中性；焊接引线得到圆形带中孔结构微型温差电致冷器。

实施例2

参照附图1至图9。

一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器，由热面陶瓷片1、冷面陶瓷片2、P型温差电元件3、N型温差电元件4、正极引出线5、负极引出线6构成。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器，温差电元件采用区域熔炼后的定向稳定的温差电材料，温差电材料的取向性良好，具备良好的热电性能，对P性温差电材料进行退火处理，提高其机械强度和热电性能。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器，元件尺寸小，采用高精度自动切割系统实现圆形中孔陶瓷片的加工，利用金刚刀具保证切割精度，保证陶瓷片的机械强度，免受机械损伤，保证致冷器的可靠性；采用微型温差电元件，降低致冷器工作时的电流，减小电应力对致冷器的冲击。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器，采用一体化的高温真空焊接工艺，保证不同元件端面焊接温度一致性，提高焊接可靠性，避免施焊过程局部氧化降低致冷器可靠性。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器，设计圆环结构的致冷器，满足螺杆结构安装需要；在有限的空间内采用有限空间元件最大化设计提高整体元件密度，为焊接提供足够的焊接面积，提高致冷器的机械强度。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器，设计致冷器的N、P型温差电元件的排列结构，并根据其结构确定电流走向，详见图2和图3；采用专用工装实现定位，保证冷、热面陶瓷片的对中性。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器，陶瓷片采用≥99％的高致密度、低孔隙率的氧化铝或者氧化铍陶瓷片，采用高温烧结工艺将T2Y2紫铜板烧结在陶瓷片表面，形成导流通道，为了提高焊接浸润性，在紫铜板表面上镀镍2-6μm，镀金厚度1-2μm。

圆形带中孔结构微型温差电致冷器致冷器具有-55℃～130℃宽温工作良好的特性，同时致冷器具备良好的耐力学、温度耐久性冲击的能力。

本实施例具有所述的体积小、重量轻、宽温性能良好、耐环境性能优异等特点，突破了微型致冷组件的制作工艺，致冷组件重量≤1.3g，体积≤305mm³，适用于低功耗的CCD器件、光电器件、光纤器件的致冷和控温。

Claims

1.一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器，其特征是：圆形带中孔结构微型温差电致冷器包括热面陶瓷片、冷面陶瓷片、P型温差电元件、N型温差电元件、导流片、正极引线和负极引线；P型温差电元件、N型温差电元件由导流片依次串联在一起，引出正极引线和负极引线；温差电致冷器为圆形带中孔结构，热面陶瓷片和冷面陶瓷片为三氧化二铝陶瓷基片，圆形带中孔结构热面陶瓷片和冷面陶瓷片间均匀排布有P型温差电元件和N型温差电元件39对；温差电致冷器厚度为2.7mm～2.8mm，P型温差电元件、N型温差电元件间距为0.4-0.5mm。

2.根据权利要求1所述的圆形带中孔结构微型温差电致冷器，其特征是：温差电致冷器圆形结构的外径为11-15mm；中孔直径为4-7mm。

3.一种圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法，其特征是：热面陶瓷板、冷面陶瓷板选用三氧化二铝或氧化铍为基板，将紫铜通过高温烧结工艺烧结在基板表面，紫铜的覆铜板的厚度为0.15-0.25mm；采用自动切割机进行圆形中孔陶瓷板的加工；P型温差电元件、N型温差电元件采用激光切割，P型温差电元件、N型温差电元件排布成圆形中孔结构，分别进行焊接形成冷面陶瓷片、热面陶瓷片，采用工装进行定位，保证冷面陶瓷片、热面陶瓷片的对中性；焊接引线得到圆形带中孔结构微型温差电致冷器。

4.根据权利要求3所述的圆形带中孔结构微型温差电致冷器的制备方法，其特征是：P型温差电元件、N型温差电元件排布成圆形中孔结构后，采用一体化方式真空焊接形成冷面陶瓷片、热面陶瓷片。