專利名稱：高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫差電應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法。
背景技術(shù)：
N型溫差電元件和P型溫差電元件是溫差電致冷器的核心部件，分別將N型和P 型溫差電元件與導(dǎo)流片連接構(gòu)成回路，形成溫差電元件對，冷面陶瓷片與導(dǎo)流片、熱面陶瓷片與導(dǎo)流片焊接為一體，為致冷器提供導(dǎo)電通路，實現(xiàn)溫差電元件對之間的電路串聯(lián)連接； 若干個溫差電元件對的冷端和熱端全部并聯(lián)在冷面陶瓷片和熱面陶瓷片上，引出線為整個致冷器提供電輸入的接口功能，在溫差電元件對的輸入端通以固定的直流電壓，溫差電元件對一端放熱，一端吸熱，形成冷、熱端的輸出表面，對放熱端采取散熱措施保證適當(dāng)溫度， 吸熱端便對目標(biāo)體致冷降溫。冷面陶瓷片、熱面陶瓷片不僅作為熱輸入、輸出面，還作為元件對之間的電串聯(lián)平臺，并確保元件對與外界的電絕緣功能，保證致冷器正常工作運行。經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)專利號為200620027666. 7，公開號為CN200968744，專利名稱為水循環(huán)小型溫差電控溫裝置，其說明書中公開了水循環(huán)小型溫差電控溫裝置，包括帶有進(jìn)、出水口的致冷系統(tǒng)，通過管路與磁力泵、保溫水箱和溫度控制裝置、負(fù)載形成水回路，溫度控制裝置包括溫度控制儀表、熱電偶和繼電器；致冷系統(tǒng)是以換冷器水箱為對稱，兩外側(cè)依次設(shè)置有溫差電致冷組件、導(dǎo)塊、散熱器、排風(fēng)扇，通過夾緊裝置連為一體。該裝置控溫精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且不適用于微型精密控溫設(shè)備。專利號為200920251170. 1，授權(quán)公告號為201555393U的實用新型專利“微型控溫
用溫差電致冷器”其制作過程包括帶金屬化圖形的氧化鋁陶瓷片作為溫差電致冷組件的冷面陶瓷片和熱面陶瓷片，先將導(dǎo)流片用焊料焊接在冷面陶瓷片和熱面陶瓷片的金屬化圖形上，再將P型粒子和N型粒子組成N、P電偶對焊接在導(dǎo)流片上，然后將正、負(fù)極導(dǎo)線焊接到熱面陶瓷片預(yù)留的引線位置上，組成溫差電致冷組件，最后用絕緣導(dǎo)熱膠將其熱面陶瓷片與微型散熱器黏結(jié)在一起，通過微型散熱器將熱量散發(fā)出去，其結(jié)構(gòu)簡單適用于地面微型精密控溫設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫差電致冷器愈加廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，特別是在環(huán)境惡略的高軌道空間中工作的敏感器，該敏感器要求為之控制溫度的器件應(yīng)具有體積小、溫差大、致冷功率高、抗沖擊、振動力學(xué)性能強，特別是耐空間輻照、可靠性高等特點。上述致冷器件無法滿足高軌道空間中敏感器的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種體積小、溫差大、致冷功率高、抗沖擊、振動力學(xué)性能強，耐空間輻照、可靠性高的高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法。本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法，包括步驟⑴將制備好的N、P型溫差電材料棒切割成N、P型溫差電材料片；步驟(2)將N、P型溫差電材料片切割成N型溫差電元件1和P型溫差電元件2 ；步驟⑶冷面陶瓷片4上制備冷面金屬化圖形8、熱面陶瓷片上 5制備熱面金屬化圖形9 ；步驟⑷制備導(dǎo)流片3 ；步驟(5)根據(jù)步驟⑵完成的冷面金屬化圖形和熱面金屬化圖形形成串聯(lián)電路的對應(yīng)位置，先后通過手工壓焊和自動紅外再流焊接將 N、P型溫差電元件通過導(dǎo)流片焊接于冷、熱面陶瓷片上的金屬化圖之間；經(jīng)研磨陶瓷片表面、超聲清洗，在熱面陶瓷片上有一個溫差電元件的兩個金屬化圖形上各焊接一條引出線， 進(jìn)行“電老化+溫度循環(huán)+變頻振動”的溫度、力學(xué)老練試驗，其特點是所述N、P型溫差電材料片兩端面均處理一層鎳；冷面金屬化圖形和熱面金屬化圖形上各處理一層鎳；導(dǎo)流片裸露處均滾鍍一層鎳和一層錫。本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)方案
所述N、P型溫差電材料片兩端面、冷面金屬化圖形和熱面金屬化圖形上處理的鎳均采用電鍍、化學(xué)鍍、蒸鍍、濺射、熱噴涂之一種。所述處理的鎳均采用化學(xué)鍍。所述焊接用的焊料均為Sn63AA的焊料，焊接用的焊劑均為R型或者RMA型焊劑。所述焊劑為松香-無水乙醇。本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是
本發(fā)明通過溫差電材料片、陶瓷片上金屬化圖形的鍍鎳和導(dǎo)流片的鍍鎳、鍍錫，加之材料優(yōu)選、焊接、研磨、超聲清洗和破壞性試驗的篩選，使制備成的溫差電致冷器空間耐輻照能力達(dá)到300Krad (Si)，失效率達(dá)到200fit，最大溫差達(dá)到70. 98°C，最大致冷功率達(dá)到 14. 5W，并具有抗沖擊、振動力學(xué)性能強，可靠性高以及體積小的特點，壽命可達(dá)15. 2年，特別適用于高軌道空間的應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明制備的溫差電致冷器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中冷面陶瓷片的金屬化圖形示意圖3是圖1中熱面陶瓷片的金屬化圖形示意圖。圖中1、N型溫差電元件；2、P型溫差電元件；3、導(dǎo)流片；4、冷面陶瓷片；5、熱面陶瓷片；6、焊料；7、引出線；8、冷面陶瓷片金屬化圖形；9、熱面陶瓷片金屬化圖形；10、冷面陶瓷片金屬化圖形浸錫方向；11、熱面陶瓷片金屬化圖形浸錫方向。
具體實施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下
請參閱圖1 一圖3。⑴溫差電材料片的制備對Bi、Te、Sb原材料進(jìn)行“熔化-分凝”將原材料表面氧化物及其內(nèi)部雜質(zhì)進(jìn)行分凝，提高至原材料純度為99. 99%，制成Bi2Te53棒作為N型溫差電材料棒和Sb2I^3棒作為P型溫差電材料棒；將溫差電材料棒進(jìn)行區(qū)域熔煉，對溫差電材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向處理，以減少晶體的各向異性性能，提高材料熱電性能；采用高精度線切割機將溫差電材料棒進(jìn)行晶片切割，制出厚度一致性好和良好施鍍表面狀態(tài)精度為士0. Olmml. 5mm厚的N、P型溫差電材料片；對溫差電材料片表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳13，在其端面建立均勻一致的鎳層。⑵溫差電元件的制備為保護(hù)鍍層的完好性，無損溫差電材料片的鎳層，不影響鎳層牢固度和結(jié)合力，采用內(nèi)圓切片機切割將鍍鎳后的溫差電材料片，切割成幾何尺寸長X 寬X高為1. ImmXl. ImmX 1. 5mm，高度精度為士0. 01mm，并且內(nèi)阻一致的N型溫差電元件 1和P型溫差電元件2。該幾何尺寸的溫差電元件具有最優(yōu)化的熱電性能和機械強度，能夠耐受較強量級的力學(xué)環(huán)境和溫度沖擊環(huán)境的考核，保證致冷器的固有可靠度。⑶冷、熱面陶瓷片上金屬化圖形的制備選用96%的Al2O3陶瓷片作為冷面陶瓷片4和熱面陶瓷片5，根據(jù)圖2和圖3布圖位置，在冷、熱面陶瓷片上燒結(jié)長X寬為 3. OmmX 1. 2mm、厚度為0. 02mm 0. 03mm的W-Mn合金作為冷面金屬化圖形8和熱面金屬化圖形9 ；并在金屬化圖形上化學(xué)鍍1. 5 μ m 2. 5 μ m厚的鎳層；再將冷、熱面陶瓷片放在焊料鍋內(nèi)，按照圖2和圖3中冷面陶瓷片金屬化圖形浸錫方向10和熱面陶瓷片金屬化圖形浸錫方向11，即沿著垂直于陶瓷片中部金屬化圖形長邊方向?qū)θ拷饘倩瘓D形浸錫，以保證焊接時對導(dǎo)流片的包邊處理和避免虛焊。⑷導(dǎo)流片3的制備采用純度為99. 90%的T2Y2紫銅絲，沖壓成
1.ImmX 2. 9mmX0. 35mm，厚度精度為士0. Olmm作為導(dǎo)流片，在導(dǎo)流片上滾鍍一層1. 5μ m
2.5 μ m厚的鎳后再滾鍍一層2. 0 μ m 5. 0 μ m的錫。( 致冷器整體焊接采用Sn63AA的焊料6，松香-無水乙醇焊劑，按照圖3和圖2 中金屬化圖形形成串聯(lián)電路的對應(yīng)位置，先通過手工壓焊用將N、P型溫差電元件通過導(dǎo)流片焊接于冷、熱面陶瓷片上的金屬化圖之間，在冷、熱面陶瓷片上施加均等壓力，然后在干燥空氣或氮氣的保護(hù)氛圍中，再通過自動紅外再流焊接，用磨床將整體焊接后致冷器研磨至平面度< 0. 02mm，平行度< 0. 03mm ；為避免致冷器出現(xiàn)短路故障，提高其可靠性，通過超聲清洗除去致冷器表面及內(nèi)部殘留的油污、焊劑、溫差電元件碎屑、殘余焊料等多余物；在熱面陶瓷片上焊接有一個溫差電元件的兩個金屬化圖形上各焊接一條引出線7 ；最后對致冷器進(jìn)行“電老化+溫度循環(huán)+變頻振動”的溫度、力學(xué)老練試驗，致冷器的殘余應(yīng)力得到充分釋放，剔出早期失效器件，完成圖1所示溫差電致冷器的制作。本發(fā)明制備的溫差電致冷器工作過程如下當(dāng)敏感器件的溫度超過預(yù)警值時，系統(tǒng)發(fā)出指令，控制致冷器工作，當(dāng)敏感器件溫度低于最低要求溫度時，系統(tǒng)反饋發(fā)出致冷器停止工作的指令，通過系統(tǒng)連續(xù)的對致冷器輸出各種指令，有效調(diào)節(jié)并保證致冷器高可靠有效運行，確保敏感器件的工作穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法，包括步驟⑴將制備好的N、P型溫差電材料棒切割成N、P型溫差電材料片；步驟⑵將N、P型溫差電材料片切割成N型溫差電元件和P型溫差電元件；步驟⑶冷面陶瓷片上制備冷面金屬化圖形、熱面陶瓷片上制備熱面金屬化圖形；步驟⑷制備導(dǎo)流片；步驟(5)根據(jù)步驟⑵完成的冷面金屬化圖形和熱面金屬化圖形形成串聯(lián)電路的對應(yīng)位置，先后通過手工壓焊和自動紅外再流焊接將N、P型溫差電元件通過導(dǎo)流片焊接于冷、熱面陶瓷片上的金屬化圖之間；經(jīng)研磨陶瓷片表面、超聲清洗， 在熱面陶瓷片上有一個溫差電元件的兩個金屬化圖形上各焊接一條引出線，進(jìn)行“電老化+ 溫度循環(huán)+變頻振動”的溫度、力學(xué)老練試驗，其特征在于所述N、P型溫差電材料片兩端面均處理一層鎳；冷面金屬化圖形和熱面金屬化圖形上各處理一層鎳；導(dǎo)流片裸露處均滾鍍一層鎳和一層錫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法，其特征在于所述 N、P型溫差電材料片兩端面、冷面金屬化圖形和熱面金屬化圖形上處理的鎳均采用電鍍、化學(xué)鍍、蒸鍍、濺射、熱噴涂之一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法，其特征在于所述處理的鎳均采用化學(xué)鍍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法，其特征在于所述焊接用的焊料均為Sn63AA的焊料，焊接用的焊劑均為R型或者RMA型焊劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法，其特征在于所述焊劑為松香-無水乙醇。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高軌道空間用溫差電致冷器的制備方法，包括制備溫差電材料片、溫差電元件、金屬化圖形、導(dǎo)流片、整體焊接、研磨、超聲清洗、焊接引出線，進(jìn)行“電老化+溫度循環(huán)+變頻振動”的溫度、力學(xué)老練試驗，其特點是所述溫差電材料片兩端面均處理一層鎳；金屬化圖形上處理一層鎳；導(dǎo)流片裸露處均滾鍍一層鎳和一層錫。本發(fā)明通過溫差電材料片、金屬化圖形的鍍鎳和導(dǎo)流片的鍍鎳、鍍錫，加之材料優(yōu)選、焊接、研磨、超聲清洗和破壞性試驗的篩選，使制備成的溫差電致冷器空間耐輻照能力達(dá)300Krad(Si)，失效率達(dá)200fit，溫差大，致冷功率高，具有抗沖擊、振動力學(xué)性能強，可靠性高及體積小特點，特別適用于高軌道空間的應(yīng)用。
文檔編號F25B21/02GK102425879SQ201110281898
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者余成武, 劉婧, 劉達(dá), 盧欣, 安曉雨, 李春江, 李曉, 李玉明, 王曉燕, 程會燕, 鄭然 , 鐘紅軍, 馬洪奎, 高文文 申請人:中國電子科技集團公司第十八研究所, 北京控制工程研究所