CN105758058B - 一种高电压密集型温差电致冷器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高电压密集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。高电压密集型温差电致冷器，中间为N型温差电元件、P型温差电元件，两侧为镀金陶瓷板，温差电元件设有引线；温差电元件端面有1μm～4μm镍层；温差电元件单位密集度0.29对/mm以上，温差电元件间距为0.3‑0.6mm。高电压密集型温差电致冷器的制备方法：冷热面镀金陶瓷板将紫铜烧结在陶瓷基板表面，镀镍、镀金；温差电元件采用激光切割，温差电元件采用化学镀镍工艺在端面形成镍层；将N、P型温差电元件焊接形成陶瓷片组件；利用一体化焊接模具安装在一起，焊接成致冷器，焊接引线。本发明具有工艺可靠，成品率高，产品密集型、体积小、致冷功率高，环境适应性优异等优点。

Description

一种高电压密集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，特别是涉及一种高电压密集型温差电致冷器及其制备方法。

背景技术

目前，市场上常见的温差电致冷器多为低电压、高电流器件，常规尺寸为15mm×15mm(31对)、23mm×23mm(71对)、30mm×30mm(127对)、40mm×40mm(127对)和55mm×55mm(127对)。该类器件工作时电流通常≥2A，因此需要的功率较大，仅仅适合地面商用或者不存在功耗问题的地面军用领域，尤其不适合对功率要求严格的空间应用领域。

目前，致冷器已经在空间获得了广泛的应用，特别是在星敏感器、低温黑体、红外CCD、环路热管、激光测距仪等单机和分系统上的应用得到了长足的进步和发展。随着空间探索计划的构建，未来几年将有大量卫星、飞船、目标飞行器和空间站等陆续进入宇宙执行任务，届时，作为光、机、电等单机控温配套的致冷器将获得极其广泛的应用，并开辟极其广阔的市场。但从目前致冷器的技术水平和应用市场来看，空间在轨运行的致冷器均是低压大电流器件，其电压≤12V，电流≥2A。而恰恰致冷器这一特点是造成其空间应用的推广及其普及化的最大瓶颈，空间应用的系统、单机、部件、元器件等首要的是低功耗，不允许功耗浪费特别是大量功耗浪费在供电回路中，空间应用最为普遍的母线电压为28V，因此这也是目前所有空间应用的系统、单机、部件、元器件等不断地开发、研究高电压、低电流器件的根本原因，通过升压减流这种方式保证功耗同时减小了线路功率损耗，不仅提高了供电系统可靠性而且存在大幅度降低了线路功率损耗等技术问题。。

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高电压密集型温差电致冷器及其制备方法。

为满足空间更高的要求、使致冷器谱系化，必须研制高电压、低电流的致冷器。因此，本专利引入一种全新的一种高电压密集型温差电致冷器致冷器及其制备方法，该致冷器可以有效的解决致冷器空间应用的难题，有效地降低使用电流，从而大幅度的减小线路功率损耗，为卫星、飞船、目标飞行器等节约可观的能源，延长使用寿命，而且该致冷器是以28V母线电压为基准设计模块化产品，同时该致冷器具备良好的宽幅度电压适应性，适用于5V～45V直流供电的单机产品配套使用，能够满足绝大多数卫星系统、单机的配套。

本发明致冷器由镀金陶瓷板、温差电元件、导线构成，通过N、P型温差电元件与冷热面镀金陶瓷板单独合模技术实现分体式焊接，再通过通有保护气的红外再流焊接炉将焊接由N、P型温差电元件的致冷器半成品集成，焊接导线后致冷成品完成，通过各种老化筛选试验后可将致冷器提交空间应用。该致冷器是以28V母线电压为基准设计模块化产品，同时该致冷器具备良好的宽幅度电压适应性，适用于5V～45V直流供电的单机产品配套使用，实现绝大多数空间配套电源的全覆盖。

本发明高电压密集型温差电致冷器的制备采用如下技术路径：

材料制备→元件制备→N\P型组件焊接→致冷器红外再流焊接→电老化→温度循环→致冷器成品。

一种高电压密集型温差电致冷器的制备方法，包括冷、热面镀金陶瓷板、温差电元件、导线构成。其特点是冷、热面镀金陶瓷板由100％氮化铝陶瓷基片为基板，将紫铜通过高温烧结工艺烧结在陶瓷基板表面，最后在紫铜的覆铜板表面镀镍、镀金，提高冷、热面镀金陶瓷板的可焊性；将N型温差电元件装在装用的模具中，采用上焊接的方法将N型温差电元件焊接在冷面陶瓷片上，形成N型组件；同理，将P型温差电元件装在装用的模具中，形成P型组件；将N、P型陶瓷片组件利用装用一体化焊接模具安装在一起，将其整体放在具有保护气的红外再流焊接炉中，焊接致冷器；利用高精度RCL测试仪检测温差电元件对的内阻，剔除内阻大的器件，然后将致冷器成品焊接引线完成电老化和温度循环筛选试验后完成产品制备。

1.结构特征

致冷器工作电压最大达到45V工作电压，远远超过常规致冷器工作电压≤28V的指标；

致冷器具有高密集的特性，其元件对数达到337对，有效面积33mm*34mm，单位密集度0.2915对/mm²,超过常规致冷器0.1411对/mm²超过1倍的密集度；

温差电元件间距为0.5mm，属于高密集型温差电组件，远小于常规组件元件间距0.8mm～1.6mm；

致冷器具有小电流的特点，正常工作电流≤0.8A，最大工作电流1A，小于常规致冷器正常工作电流2A；

温差电元件的几何尺寸为0.7mm×0.7mm×2.5mm，具有最大的高面比H/S＝2.5/0.49＝5.102mm^-1，超过常规致冷器的2.5mm^-1一倍以上；N、P型陶瓷片首次采用100％AlN陶瓷基片，保证成本的前提下提高导热性能，抛光的陶瓷片表面粗糙度Ra≤0.1μm，覆铜板材质为T2Y2紫铜，纯度＞99.99％，并镀金处理，增加可焊性，提高可靠性。

致冷工作模式时采用高温焊膏采用熔点230℃的SbSn焊料；发电工作模式时高温焊膏采用280℃的AuSn焊料，具有良好的稳定性、抗氧化性和可焊性。

致冷器能够承受5800N压力，致冷器-65℃～-70℃低温工作性能优异，能够耐受1.33×10⁷rad(Si)的空间辐照；致冷器具有最大温差ΔTmax：≥70℃；最大温差电压Umax：41V±4V；最大温差电流Imax：0.9A±0.08A；最大致冷功率Qcmax：≥22.5W。

2.工艺特征

材料制备首次采用“熔炼-分凝”技术，剔除原材料中的杂质、氧化物及可凝挥发性物质，材料纯度由99.99％提高至99.999％以上，剔除真空环境易出气的杂质；

材料制备优化区域熔炼温度，降低熔炼速度，提高温差电材料的均匀性和机械强度，均匀性±1.5％，机械强度≥40Mpa；

利用区熔后的合格材料作为前躯体进行材料的高温热挤压制备成型工艺，使温差电材料内部晶粒重新塑性成形，完成晶体有效的定向塑形，提高其机械强度，其机械强度达到≥57Mpa；

元件制备采用化学镀镍工艺在温差电元件端面形成一个1μm～4μm的镍层，作为焊接过渡层和重金属杂质阻挡层保护温差电材料不受侵害，提高可靠性；

突破化学镀镍工艺的催化剂加入时机，由传统的先加催化剂改变为后加催化剂，提高化学镀镍稳定性；

元件制备采用激光切割技术提高切割精度，切割精度控制在0.005mm以内，同时减小机械损伤，提高成品率，保证可靠性；N型镀金陶瓷板通过丝网漏印技术在其表面镂刻0.1～0.15mm厚度的高温铅锡焊膏；P型镀金陶瓷板通过丝网漏印技术在其表面镂刻0.1～0.15mm厚度的高温铅锡焊膏；致冷工作模式时采用高温焊膏采用熔点230℃的SbSn焊料；发电工作模式时高温焊膏采用熔点280℃的AuSn焊料，具有良好的稳定性、抗氧化性和可焊性；N型温差电元件与冷面镀金陶瓷板单独焊接，形成N型组件；P型温差电元件与冷面镀金陶瓷板单独焊接，形成P型组件；N、P型温差电元件单独焊接时采用的模具不同，特殊定制；N型组件和P型组件通过模具实现固定、定位、一体化焊接，通过充有保护气的红外再流焊接炉焊接；对焊接后的致冷器利用高精度安捷伦RCL测试仪检测温差电元件对的电阻，剔除大电阻器件。

陶瓷片厚度为0.5mm，覆铜板厚度为0.2mm，覆铜板表面镀镍2μm～6μm，镀镍后镀金1μm～2μm；陶瓷片材质为100％氮化铝，保证成本的前提下提高导热性能，抛光的陶瓷片表面粗糙度Ra≤0.1μm；覆铜板材质为T2Y2紫铜，纯度＞99.99％；引线焊接采用无扰动焊接，针对焊接过程外部扰动设计专用工装夹具，满足焊接需要；

采用-55℃～115℃的间歇式通断电老化制度，致冷器通电时控制其冷面温度为-55℃，时间1h，断电时控制致冷器的热面温度为115℃，时间1h，完成上述操作为1个循环，连续工作50循环，剔除内阻值变化幅度超过±3％的致冷器；

该致冷器具有多对数、高电压、密集型等特点，适用于高电压模式下的致冷，致冷量集中，明显减小线路损耗；同时也明显具备发电用的特点，密集型特点容易集热，形成稳定的吸热面，实现发电；最大温差ΔTmax：≥70℃；最大温差电压Umax：41V±4V；最大温差电流Imax：0.9A±0.08A；最大致冷功率Qcmax：≥22.5W；外形尺寸(34±0.05)mm×(34±0.05)mm×(4.0±0.03)mm，平行度＜0.05mm，平面度＜0.02mm；致冷器能够承受5800N压力；致冷器-65℃～-70℃低温工作性能优异，能够耐受1.33×10⁷rad(Si)的空间辐照。

3.工装模具

由于温差电元件具有比常规温差电元件高一倍以上的高面比H/S＝5.102mm^-1，加上高密集度和337对的巨额对数，使得致冷器温差电元件的定位模具的定位孔必须要具备高精度，否则将造成温差电元件倾斜，导致2个隐患，一是焊接质量不稳定，另外是脱模造成温差电元件的机械性损伤，导致致冷器失效。

针对性采取设计措施，首先将一体化的焊接一分为二，突破性的改变所有N、P型温差电元件同时实现陶瓷片的焊接方式。

N、P型组件的焊接工装由13-模腔，14-顶杆，15-定位垫，16-活塞腔体，17-气孔构成。如图5所示，1/4,2/3通过压力焊接形成N、P型组件(致冷器的半成品)，温差电元件置于自由状态的模腔方孔之中，方孔大小为0.75mm，仅比温差电元件的截面尺寸0.70mm大0.05mm，保证其良好的精度；模腔的材质为不锈钢材质，通过激光线切割工艺加工制备，确保精度；定位垫是可加工陶瓷材质，在组件焊接时起到辅助作用，保证温差电元件伸出模腔一定高度，焊接后取下定位垫，使顶杆可在外力作用下在活塞腔体内自由活动，因此，将N、P型组件脱模时，由气孔通入压力可调节、可控制的干燥空气或者氮气，保证顶杆在活塞腔体内均匀、稳定的移动，以此将N、P型组件缓慢、无应力的推出，此时所有的温差电元件都均匀受力，不会使温差电元件局部应力集中，损坏温差电元件；顶杆和活塞腔体都是采用精加工的不锈钢材质，同时保证顶杆和活塞腔体气密配合良好，因此通过气孔加压，借助顶杆将N、P型组件顶出，完成脱模。

N、P型组件的一体化焊接模具有18-固定板，19-上压板，20-紧固螺栓，21-N、P型组件(合盖前)，22-压紧凸台构成，固定板与上压板的材质为不锈钢，压紧螺栓为钛合金螺钉，压紧凸台与固定板和上压板为一体化设计，保证模具的强度和刚性，减小导热性能，提高焊接质量。

致冷器的一体化焊接过程是如下实现的：首先将N、P型组件按照图所示进行焊接前物理合盖，将N、P型组件放在固定板上，然后通过紧固螺栓将上压板压紧N、P型组件，紧固压力通过力矩扳手确定压力；为保证固定板和上压板的机械强度和刚性采用中孔的压紧凸台结构，为保证压紧凸台有效压紧N、P型组件的同时，通过中孔及凸台特性避免热散失，使N、P型组件焊接过程保证温度一致性、提高焊接质量。

本发明的目的之一是提供一种具有密集型、体积小、致冷功率高，材料的均匀性和机械强度高，成品率高，温差电材料的可靠性高，可靠性和环境适应性优异，特别适用于空间环境应用等特点的高电压密集型温差电致冷器。

本发明高电压密集型温差电致冷器所采取的技术方案是：

一种高电压密集型温差电致冷器，其特征是：高电压密集型温差电致冷器由冷面镀金陶瓷板、热面镀金陶瓷板、N型温差电元件、P型温差电元件以及引线构成；中间为N型温差电元件、P型温差电元件，两侧为镀金陶瓷板，N型温差电元件、P型温差电元件设有引线；温差电元件端面有化学镀镍工艺形成的1μm～4μm的镍层，作为焊接过渡层和重金属杂质阻挡层保护温差电材料不受侵害；温差电元件单位密集度0.29对/mm以上，温差电元件间距为0.3-0.6mm。

本发明高电压密集型温差电致冷器还可以采用如下技术方案：

所述的高电压密集型温差电致冷器，其特点是：高电压密集型温差电致冷器是以28V母线电压为基准设计模块化产品，N型温差电元件、P型温差电元件对数达到337对，温差电元件的几何尺寸为0.6-0.8mm×0.6-0.8mm×2.3-2.8mm。

所述的高电压密集型温差电致冷器，其特点是：镀金陶瓷板通过丝网漏印技术表面镂刻有0.1～0.15mm厚度的铅锡焊膏。

所述的高电压密集型温差电致冷器，其特点是：N型温差电元件、P型温差电元件精度在0.005mm以内。

本发明的目的之二是提供一种具有工艺可靠，成品率高，采用化学镀镍和激光切割等技术，产品密集型、体积小、致冷功率高，材料的均匀性和机械强度高，成品率高，温差电材料的可靠性高，可靠性和环境适应性优异，特别适用于空间环境应用等特点的高电压密集型温差电致冷器的制备方法。

本发明高电压密集型温差电致冷器的制备方法所采取的技术方案是：

一种高电压密集型温差电致冷器的制备方法，其特征是：高电压密集型温差电致冷器的冷面镀金陶瓷板、热面镀金陶瓷板由100％氮化铝陶瓷基片为基板，将紫铜通过高温烧结工艺烧结在陶瓷基板表面，最后在紫铜的覆铜板表面镀镍、镀金；温差电元件采用激光切割，温差电元件采用化学镀镍工艺在温差电元件端面形成镍层；将N型温差电元件装在模具中，采用上焊接的方法将N型温差电元件焊接在冷面陶瓷片上，形成N型陶瓷片组件；同样，将P型温差电元件装在模具中，形成P型陶瓷片组件；将N型陶瓷片组件、P型陶瓷片组件利用一体化焊接模具安装在一起，将其整体放在具有保护气的红外再流焊接炉中进行焊接；然后焊接引线得到高电压密集型温差电致冷器。

本发明高电压密集型温差电致冷器的制备方法还可以采用如下技术方案：

所述的高电压密集型温差电致冷器的制备方法，其特点是：温差电元件采用化学镀镍工艺在温差电元件端面形成一个1μm～4μm的镍层。

所述的高电压密集型温差电致冷器的制备方法，其特点是：温差电元件采用激光切割精度在0.005mm以内。

所述的高电压密集型温差电致冷器的制备方法，其特点是：焊接引线前，利用高精度RCL测试仪检测温差电元件对的内阻，剔除内阻大的器件，然后将焊接引线完成电老化和温度循环筛选试验后得到电压密集型温差电致冷器。

本发明具有的优点和积极效果是：

高电压密集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，本发明具有以下特点：

1、本发明首次采用的“熔炼-分凝”技术提纯致冷器材料制备使用的原材料，使用该技术提纯后的原材料纯度由99.99％提高至99.999％以上，同时材料的出气特性大幅度减弱，特别是空间应用，可有效地解决产品空间应用出气的问题；对以区熔工艺制备的材料为前躯体进行热压工艺实现晶粒定向，提高了温差点材料的均匀性和机械强度，其抗弯强度≥57Mpa，极大地促进大高面比温差电元件的工程化应用；

2、本发明对化学镀镍工艺进行了改进，通过合理控制加入催化剂的时机，解决了化学镀镍稳定性的问题，改进后的化学镀镍成功率100％，无一个批次产品报废，镍层厚度均匀性提高，均为2.5μm±1μm；镍层厚度均匀性直接影响焊接可靠性，同时镍层厚度均匀可有效的阻挡Cu、Ag、Au等有害原子侵害温差电材料，提高温差电材料的可靠性；

3、本发明在温差电领域首次使用激光切割技术，大幅度提高了温差电元件的机械强度和成品率，有效的避免了机械切割对温差电元件机械强度的影响，可有效地满足空间用高可靠致冷器的应用；

4、本发明首次采用N/P型温差电元件与冷/热面陶瓷片单独合模技术，采用无应力的定制压力脱模技术保证NP型组件无应力脱模，通过专用工装模具一体化焊接集成技术，该技术的使用将焊接时的热熔减小一半以上，提高了焊接可靠性，可有效的满足空间用致冷器的可靠性要求；

5、本发明首次采用100％氮化铝陶瓷基片，提高导热性能，确保焊接强度，同时采用覆铜板的陶瓷片并使用镀金技术确保焊接时热容量小，提高传热性能，保证焊接质量；

6、本发明首次研制337对致冷器，具有密集型、体积小、致冷功率高的特点，该产品的可靠性和环境适应性优异，特别适用于空间环境应用。

附图说明

图1是本发明的一种高电压密集型温差电致冷器的结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

图3是本发明的一种高电压密集型温差电致冷器的制备方法技术路径示意图；

图4是本发明的N型温差电元件与冷面陶瓷板焊接的N型组件立体结构示意图；

图5是本发明的N型温差电元件与冷面陶瓷板焊接的N型组件结构示意图；

图6是图5的俯视结构示意图；

图7是本发明的P型温差电元件与冷面陶瓷板焊接的P型组件立体结构示意图；

图8是本发明的P型温差电元件与冷面陶瓷板焊接的P型组件结构示意图；

图9是图8的俯视结构示意图；

图10本发明的N、P型组件脱模示意图；

图11是图10的A-A剖视结构示意图；

图12是图10的B-B剖视结构示意图；

图13是本发明的致冷器一体化焊接工装模具装配示意图；

图14是图13的俯视结构示意图图；

图15是本发明的致冷器一体化焊接工装模具装配立体示意图。

其中，1-热面镀金陶瓷板，2-N型温差电元件，3-P型温差电元件，4-冷面镀金陶瓷板，5-引出线，6-材料制备，7-元件制备，8-P组件焊接，9-N组件焊接，10-红外再流焊接，11-电老化，12-温度循环，13-模腔，14-顶杆，15-定位垫，16-活塞腔体，17-气孔，18-固定板，19-上压板，20-紧固螺栓，21-N\P型组件，22-压紧凸台。

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

一种高电压密集型温差电致冷器，其特征是：高电压密集型温差电致冷器由冷面镀金陶瓷板、热面镀金陶瓷板、N型温差电元件、P型温差电元件以及引线构成；中间为N型温差电元件、P型温差电元件，两侧为镀金陶瓷板，N型温差电元件、P型温差电元件设有引线；温差电元件端面有化学镀镍工艺形成的3μm的镍层，作为焊接过渡层和重金属杂质阻挡层保护温差电材料不受侵害；温差电元件其元件对数达到337对，有效面积33mm*34mm，单位密集度0.2915对/mm²,超过常规致冷器0.1411对/mm²超过1倍的密集度；温差电元件间距为0.5mm，属于高密集型温差电组件，远小于常规组件元件间距0.8mm～1.6mm。高电压密集型温差电致冷器是以28V母线电压为基准设计模块化产品，N型温差电元件、P型温差电元件对数达到337对，温差电元件的几何尺寸为0.7mm×0.7mm×2.5mm。

镀金陶瓷板通过丝网漏印技术表面镂刻有0.5mm厚度的铅锡焊膏。N型温差电元件、P型温差电元件精度在0.005mm以内。

高电压密集型温差电致冷器的制备方法，其特点是：高电压密集型温差电致冷器的冷面镀金陶瓷板、热面镀金陶瓷板由100％氮化铝陶瓷基片为基板，将紫铜通过高温烧结工艺烧结在陶瓷基板表面，最后在紫铜的覆铜板表面镀镍、镀金；温差电元件采用激光切割，温差电元件采用化学镀镍工艺在温差电元件端面形成镍层；将N型温差电元件装在模具中，采用上焊接的方法将N型温差电元件焊接在冷面陶瓷片上，形成N型陶瓷片组件；同样，将P型温差电元件装在模具中，形成P型陶瓷片组件；将N型陶瓷片组件、P型陶瓷片组件利用一体化焊接模具安装在一起，将其整体放在具有保护气的红外再流焊接炉中进行焊接；利用高精度RCL测试仪检测温差电元件对的内阻，剔除内阻大的器件，然后将焊接引线完成电老化和温度循环筛选试验后得到电压密集型温差电致冷器。温差电元件采用化学镀镍工艺在温差电元件端面形成一个3μm的镍层。温差电元件采用激光切割精度在0.005mm以内。

实施例2

参照附图1和图2。

一种高电压密集型温差电致冷器由冷热面镀金陶瓷板、N和P型温差电元件以及焊料通过焊接工艺耦合的结构，具有“三明治”结构，即中间为温差电元件，两侧为镀金陶瓷板。该结构的致冷器具有重心低、平板化的结构，适用于苛刻的力学环境。冷热面镀金陶瓷板的基材为陶瓷片，可以为100％氮化铝陶瓷基片，同时为了提高其导热性、提高焊接可靠性，考虑成本时也可选用氧化铍陶瓷基片，选用氧化铝和氧化铍陶瓷基片的厚度为0.5mm，；陶瓷基片表面烧结0.2mm厚度的紫铜，紫铜的规格为T2Y2，纯度为＞99.90％，烧结后的覆铜板表面进行抛光处理，控制其表面厚度和平面度一致性，对紫铜表面进行镀镍和镀金处理，提高可焊性，镍层厚度为2μm～6μm，镀金厚度为1μm～2μm。N、P型温差电元件分别通过各自的模具按照对应为止装好，通过上焊接工艺将N型组件和P型组件焊接成半成品备用。将N型组件和P型组件合模，利用力矩扳手将紧固螺栓紧固，紧固的力矩数值必须用力矩扳手严格控制，力矩范围0.25N·m～0.35N·m，最终成为致冷器半成品组件。N\P型组件进过装用模具安装后，在通过红外再流焊接炉完成一体化焊接，然后进行内阻检测，通过温差电元件内阻检测技术剔除元件对内阻差距大的致冷器，将性能控制点前移，提高致冷器的可靠性；致冷器半成品焊接引线后经过电老化和温度循环工艺，作为致冷器上机应用前的最后屏障，剔除早期失效产品。

实施例3

参照附图3。

一种高电压密集型温差电致冷器的制备方法的制备方法主要是材料制备→元件制备→P型组件焊接→N型组件焊接→红外再流焊接→电老化→温度循环→致冷器产品。致冷器的材料制备方法主要应用区域熔炼技术制备温差电材料，该方法制备的温差电材料具备良好的定向特性、良好的热电传输性能。主要路径为原材料提纯→温差电材料熔炼→区域熔炼→热挤压→退火→热电性能测试。温差电材料制备的主要原材料为Bi、Te、Se、Sb等，对该类材料的要求为纯度≥99.99％，为了保证温差电材料的良好性能对主要的原材料进行不同温度的“熔炼-分凝”，通过引入该技术提纯温差电原材料，剔除氧化物杂质、重金属杂质等，提纯的同时减小其出气特性。将不同的原材料按照配比进行配料，混料后，将混合后的原材料装入玻璃管中，抽真空至＜1Pa时，进行玻璃管密封，然后在摇摆炉中完成合金熔炼，熔炼温度650℃～750℃，熔炼时间≥2h，然后将玻璃管放置在空气中自然冷却。对熔炼好的材料进行定向处理，确定区熔温度为850℃，熔区熔宽度为15mm～25mm。将区熔后的温差电材料粉碎重新进行高温热挤压工艺，制备出定向好、机械强度优异的材料。最后对温差电材料棒进行热电性能测试，最为进入致冷器研制而后生产前的最后环节。元件制备的主要路径为材料片切割→表面处理→元件切割→元件清洗。利用线切割技术对温差电材料棒进行切割，形成2.5mm厚度的晶片，该工艺技术可以切割≥0.3mm厚度的温差电材料片；温差电材料片表面除油、酸洗后进行化学镀，形成一层均匀、稳定的晶态“P-Ni”合金，该工艺方法制备的Ni层具有良好的致密度、厚度一致性和物理化学稳定性，并且具有良好的可焊性和耐磨性；利用高精度划片机进行元件的划切，切割的温差电元件公差尺寸<0.01mm，同时该物理损伤小，可有效的提高元件制备成品率，该技术方法可实现≥0.2mm宽度元件的切割，该致冷器的元件截面宽度为0.7mm；元件切割后用分析纯的丙酮清洗，剔除表面油污、502胶等，最后用去离子水清洗，去离子水的电导率要求≤0.1μs/cm，然后用无水乙醇脱水处理，放入真空柜保存。P型组件焊接和N型组件焊接按照附图所示进行，通过将温差电元件分为N、P单独与冷热面陶瓷片焊接，减小焊接面积和整体热熔，提高焊接可靠性；将P型组件和N型组件合模，通过力矩扳手施加力矩，进行固定数值力矩的紧固，将合模安装好的致冷器放入红外再流焊接炉，进行焊接，红外再流焊接炉的焊接温区为310℃、310℃和350℃，焊接时红外再流焊接的速率为0.35±0.05m/min，焊接时充保护气，可选择氮气或氩气等。焊接后将半成品组件放在充满氮气的容器或者环境自然冷却。半成品组件焊接引出线后，采用-55℃～115℃的间歇式通断电老化制度，致冷器通电时控制其冷面温度为-55℃，时间1h，断电时控制致冷器的热面温度为115℃，时间1h，完成上述操作为1个循环，连续工作50循环，剔除内阻值变化幅度超过±3％的致冷器；最后对致冷器进行外观和性能检测，其长宽高尺寸的公差为0.05、0.05和0.03mm，平行度＜0.05mm，平面度＜0.02mm，热电性能合格范围最大温差ΔTmax：≥70℃；最大温差电压Umax：41V±4V；最大温差电流Imax：0.9A±0.08A；最大致冷功率Qcmax：≥22.5W。

实施例4

参照附图4至图12。

一种高电压密集型温差电致冷器的其制备方法的制备方法的p型组件和N型组件是分别实施焊接的，国际上首次使用该方法。按照图3和图4示意图的要求N型温差电元件分布排列，利用上焊接的方法将温差电元件与冷面镀金陶瓷板焊接，焊接的过程使用RMA焊剂，避免采用RA焊剂对温差电元件、镀层及覆铜板造成腐蚀，影响致冷器件的最终可靠性，通过控制上焊接的温度控制在370℃±30℃较窄的温度区间，提高焊接稳定性，同时通过时间和压力控制实现有效面积的焊接，焊机时间为5s～10s，焊机压力为1.0～1.5×10⁶Pa。通过气压实施NP型组件的有效脱模，避免应力导致温差电元件损坏。对完成N型组件和P型组件的半成品进行超声波清洗，剔除焊接及其他氧化物，避免对后续的焊接质量造成影响。

实施例5

参照附图13、图14和图15。

一种高电压密集型温差电致冷器的制备方法的红外再流焊接采用如图所示的专用工装，该工装由固定板、上压板、紧固螺栓构成。如图所示工装的固定板和上压板选择不锈钢，首要保证工装的强度、刚度和热物理稳定性，高温工作阶段不变形。固定板和上压板选择钣金结构，未使用一体化的而材料，增加凸台和中孔式设计，通过中孔式设计减小试验过程中夹具热熔较大造成的热损失，影响焊接温度和焊接质量。固定板和上压板采用钣金结构，并采用五点对致冷器进行施压，施压点较钣金有个凸台，实现对致冷器加压。加压凸台采用中孔结构，减小局部应力，达到应力释放的目的。凸台具有较高的精度，凸台的平面度要求＜0.02mm，粗糙度Ra＜0.1μm。加压过程利用紧固螺栓施压，利用力矩扳手控制致冷器受力均匀，施力过程为0.05Nm→0.1Nm→0.15→0.2Nm→0.25Nm→0.3Nm→0.35Nm，每次施力过程为中间螺栓第一个施力，然后按照逆时针顺序进行逐一加力，保证致冷器受力均匀。

一种高电压密集型温差电致冷器及其制备方法的致冷器能够承受5800N压力，致冷器-65℃～-70℃低温工作性能优异，能够耐受1.33×10⁷rad(Si)的空间辐照；

一种高电压密集型温差电致冷器及其制备方法的致冷器具有最大温差ΔTmax：≥70℃；最大温差电压Umax：41V±4V；最大温差电流Imax：0.9A±0.08A；最大致冷功率Qcmax：≥22.5W；

一种高电压密集型温差电致冷器及其制备方法的致冷器具有外形尺寸(34±0.05)mm×(34±0.05)mm×(4.0±0.03)mm，平行度＜0.05mm，平面度＜0.02mm；

一种高电压密集型温差电致冷发电组件及其制备方法的致冷器具有致冷、发电两种工作模式，根据需要进行优选。

本实施例具有所述的工艺可靠，成品率高，产品密集型、体积小、致冷功率高，环境适应性优异等积极效果。

Claims (6)

1.一种高电压密集型温差电致冷器，其特征是：高电压密集型温差电致冷器由冷面镀金陶瓷板、热面镀金陶瓷板、N型温差电元件、P型温差电元件以及引线构成；中间为N型温差电元件、P型温差电元件，两侧为镀金陶瓷板，N型温差电元件、P型温差电元件设有引线；温差电元件端面有化学镀镍工艺形成的1μm～4μm的镍层，作为焊接过渡层和重金属杂质阻挡层保护温差电材料不受侵害；温差电元件单位密集度0.29对/mm以上，温差电元件间距为0.3-0.6mm；N、P型组件的一体化焊接模具有固定板，上压板，紧固螺栓，N、P型组件，压紧凸台构成，压紧凸台与固定板和上压板为一体化设计；高电压密集型温差电致冷器的一体化焊接过程：首先将N、P型组件进行焊接前物理合盖，将N、P型组件放在固定板上，然后通过紧固螺栓将上压板压紧N、P型组件，紧固压力通过力矩扳手确定压力；为保证固定板和上压板的机械强度和刚性采用中孔的压紧凸台结构，使N、P型组件焊接过程保证温度一致性。

2.根据权利要求1所述的高电压密集型温差电致冷器，其特征是：高电压密集型温差电致冷器是以28V母线电压为基准设计模块化产品，N型温差电元件、P型温差电元件对数达到337对，温差电元件的几何尺寸为0.6-0.8mm×0.6-0.8mm×2.3-2.8mm。

3.根据权利要求1所述的高电压密集型温差电致冷器，其特征是：镀金陶瓷板通过丝网漏印技术表面镂刻有0.1～0.15mm厚度的铅锡焊膏。

4.根据权利要求1所述的高电压密集型温差电致冷器，其特征是：N型温差电元件、P型温差电元件精度在0.005mm以内。

5.一种高电压密集型温差电致冷器的制备方法，其特征是：高电压密集型温差电致冷器的冷面镀金陶瓷板、热面镀金陶瓷板由100％氮化铝陶瓷基片为基板，将紫铜通过高温烧结工艺烧结在陶瓷基板表面，最后在紫铜的覆铜板表面镀镍、镀金；温差电元件采用激光切割，温差电元件采用化学镀镍工艺在温差电元件端面形成镍层；将N型温差电元件装在模具中，采用上焊接的方法将N型温差电元件焊接在冷面陶瓷片上，形成N型陶瓷片组件；同样，将P型温差电元件装在模具中，形成P型陶瓷片组件；将N型陶瓷片组件、P型陶瓷片组件利用一体化焊接模具安装在一起，将其整体放在具有保护气的红外再流焊接炉中进行焊接；然后焊接引线得到高电压密集型温差电致冷器；温差电元件采用激光切割精度在0.005mm以内；N、P型组件的一体化焊接模具有固定板，上压板，紧固螺栓，N、P型组件，压紧凸台构成，压紧凸台与固定板和上压板为一体化设计；高电压密集型温差电致冷器的一体化焊接过程：首先将N、P型组件进行焊接前物理合盖，将N、P型组件放在固定板上，然后通过紧固螺栓将上压板压紧N、P型组件，紧固压力通过力矩扳手确定压力；为保证固定板和上压板的机械强度和刚性采用中孔的压紧凸台结构，使N、P型组件焊接过程保证温度一致性。

6.根据权利要求5所述的高电压密集型温差电致冷器的制备方法，其特征是：焊接引线前，利用高精度RCL测试仪检测温差电元件对的内阻，剔除内阻大的器件，然后将焊接引线完成电老化和温度循环筛选试验后得到电压密集型温差电致冷器。

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