一种用于制备多级热电制冷器件的模具及制备方法

本发明属于热电器件的制备，尤其涉及一种用于制备多级热电制冷器件的模具及制备方法。

背景技术：

1、热电材料作为一种新能源材料，能实现电能和热能的相互转换，在制冷、散热以及局部精确控温等领域有着广泛的应用前景。在器件层面，n型热电材料和p型热电材料通常组合成单元使用，而全尺寸热电器件正是由若干单元构筑而成。以制冷应用为例，在面对需要更大制冷温差的工作环境以及满足不同深度制冷需求，则需要对热电制冷器件进行多层设计与搭设。其中，与散热器接触的那一级通常被认为“第一级”，为了实现有效制冷，多级制冷器件中的第n级的制冷量则需要大于等于第n+1级的产热量，在各级热电臂几何尺寸一致的条件下，第n级的热电臂对数大于第n+1级的热电臂对数，故多级热电制冷器件往往呈现“金字塔”外形。器件的性能与所选材料的热电优值直接相关，目前bi2te3基材料，mg3bi2基材料与mgagsb基材料等展示出极佳的室温热电性能，最新研究表明n型bi2te3基材料的室温zt可以超过0.9接近1.0，p型bi2te3基材料的室温zt可达1.4。n型mg3bi2基材料的室温zt可达0.9，p型mgagsb基材料的室温zt可达0.9。由n型bi2te3基材料与p型bi2te3基材料搭配制备的热电制冷器件，在热端温度为300k的条件下，单级器件最大制冷温差可达75k，二级器件最大制冷温差可达92k，三级器件最大制冷温差可达121k，四级器件最大制冷温差可达129k，五级器件最大制冷温差可达141k。如今，多级热电制冷器件广泛应用于仪器仪表、医疗、空间探测等，比如红外探测仪在常温工作时，被接受信号与环境背景差异小，元件相应时间长，工作性能差，通过热电制冷器件提供稳定低温工作环境提高红外探测仪的工作性能，多级热电制冷器件能够再提供更低温环境，大幅提高红外探测仪的工作性能。

2、通过对热电器件的多层设计与搭设，可进一步提高器件的最大制冷温差以满足需要大制冷温差的工作需求，并且不同层叠设计可以满足不同深度制冷需求。一般而言，多级热电器件的搭设方法为分段式逐级搭设，每完成器件一级搭设后进行焊接，再继续完成器件下一级的搭设，最终实现多级热电器件的制备。然而这样的制备方法带来多次焊接过程，一方面，对于一些化学稳定性差的热电材料如mg3bi2基材料将面临热电性能劣化的情况，另一方面，由于一些热电臂的连接层材料及其连接工艺对焊接工艺提出更高的要求，多次焊接将可能引起连接层处界面问题，并使器件接头面临失效的风险。

3、目前只有由n型bi2te3基材料与p型bi2te3基材料搭配制备的多级热电制冷器件并应用于商业化，其中bi2te3基材料拥有极佳的化学稳定性，使其不易在器件制备过程中发生性能劣化。对于化学稳定性差的热电材料，与对焊接工艺有更高要求的连接层界面而言，多次焊接过程是制约其多级制冷器件的制备与优化的关键所在。而直接一次搭设多级热电制冷器件则大大提高了器件的装配难度。设计一种能实现多级热电制冷器件一体式搭设模具以制备多级制冷器件是制备可靠多级热电器件的关键所在。

4、综上，现有技术中的多级热电制冷器件在装配搭设过程中存在如下问题：(1)随着搭设级数越多，搭设难度进一步增大；(2)分段式逐级搭设过程繁琐，效率低；多级热电制冷器件分段式制备过程中引入多次焊接过程，对于化学稳定性差的热电材料而言，将面临热电性能衰减的风险而进一步劣化器件的制冷性能；(3)多级热电制冷器件分段式制备过程中引入多次焊接过程，可能使处于不同级的焊接接头质量不一致，并导致有苛刻焊接条件的器件接头失效。因而，亟需研发人员进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于至少克服上述现有技术的不足之一，提供了一种用于制备多级热电制冷器件的模具及制备方法，简化组装步骤，大大降低器件装配难度，使得多级热电制冷器件的搭建更为简单、便利，提高搭建效率及生产效率，有利于制备具有可靠热电性能的多级热电器件，实用性佳。

2、本发明的技术方案是：一种用于制备多级热电制冷器件的模具，用于多级热电制冷器件的限位，所述模具包括用于承载多级热电制冷器件的底座和用于对所述多级热电制冷器件的进行限位的限位部件；所述多级热电制冷器件包括多组层叠设置的单级热电制冷器件，所述限位部件包括多个依次邻接且分别用于对各所述单级热电制冷器件进行限位的单级限位组件。作为本技术方案的进一步改进，所述多级热电制冷器件至少包括第一级热电器件和第二级热电器件；所述底座具有用于安装所述第一级热电器件的安装槽，所述第二级热电器件座于所述第一级热电器件；

3、所述限位部件至少包括用于对第一级热电器件进行限位的第一级限位部件和由所述第一级限位部件限位且用于对第二级热电器件进行限位的第二级限位部件，所述第一级限位部件连接于所述底座，所述第二级限位部件连接于所述第一级限位部件。

4、作为本技术方案的进一步改进，所述底座设置有多个限位孔且多个限位孔沿着所述安装槽的外周设置；所述第一级限位部件包括设置于各所述限位孔并用于所述第一级热电器件各个侧面限位的第一限位件；所述第二级限位部件包括第二限位件，所述第二限位件包括底部用于与所述第一级热电器件顶部相接的限位底板，所述限位底板具有供所述第一限位件插入的插孔，所述限位底板靠近所述第二级热电器件的一端设置有用于与所述第二级热电器件相抵接的抵接杆。

5、作为本技术方案的进一步改进，所述限位孔包括沿着所述安装槽中心横向方向设置的两个横向限位孔、沿着所述安装槽中心纵向方向设置的两个纵向限位孔；所述第一限位件以及所述第二限位件均对应设置有四个。

6、作为本技术方案的进一步改进，位于同一方向的两个所述第一限位件之间形成用于夹持所述第一级热电器件的第一限位空间；位于同一方向的两个所述第二限位件之间形成用于夹持所述第二级热电器件的第二限位空间。

7、作为本技术方案的进一步改进，所述安装槽相邻的两个槽壁相接处设置有用于避让所述多级热电制冷器件的避让槽；所述避让槽连通于所述安装槽。

8、作为本技术方案的进一步改进，所述多级热电制冷器件包括座于所述第二级热电器件的第三级热电器件；所述限位部件还包括第三级限位部件，所述第三级限位部件包括多个分别用于抵接第三级热电器件各个侧面的第三级限位件。

9、本发明还提供了一种多级热电制冷器件的制备方法，通过采用上述模具制备多级热电制冷器件，各级热电器件均具有热电臂、位于所述热电臂一侧的第一陶瓷基板以及位于所述热电臂另一侧的第二陶瓷基板，所述制备方法包括逐级搭建多组层叠设置的各单级热电制冷器件，并且对搭建的各所述单级热电制冷器件分别采用单级限位组件对应进行限位。

10、作为本技术方案的进一步改进，所述制备方法包括步骤：

11、搭建第一级热电器件步骤，包括：将第一陶瓷基板置于所述安装槽内，将第一级热电臂设置于所述第一陶瓷基板的一侧，并将第二陶瓷基板设置于第一级热电臂的另一侧，形成第一级热电器件；

12、第一级热电器件的限位步骤，将第一级限位部件连接于所述底座，并通过设置第一级限位部件限位第一级热电器件；

13、搭建第二级热电器件步骤，包括：所述第二陶瓷基板上设置第二级热电臂，并将另一第二陶瓷基板设置于第二级热电臂的顶部，形成第二级热电器件；

14、第二级热电器件的限位步骤，将第二级限位部件连接于所述第一级限位部件且所述第二级限位部件由所述第一级限位部件限位，通过设置第二级限位部件对第二级热电器件进行限位。

15、作为本技术方案的进一步改进，所述制备方法还包括一次回流焊步骤，包括所述多级热电制冷器件中各级的热电臂分别与相邻的第一陶瓷基板以及第二陶瓷基板之间的焊接。

16、本发明所提供的一种用于制备多级热电制冷器件的模具及制备方法，用于多级热电制冷器件的限位，所述模具包括用于承载多级热电制冷器件的底座和用于对所述多级热电制冷器件的进行限位的限位部件；所述多级热电制冷器件包括多组层叠设置的单级热电制冷器件，所述限位部件包括多个依次邻接且分别用于对各所述单级热电制冷器件进行限位的单级限位组件。本发明提供的一种用于制备多级热电制冷器件的模具及制备方法，通过模具中限位部件的限位作用，具体通过各单级限位组件分别对各所述单级热电制冷器件的安装位置进行限制，防止其发生位移，使得多级热电制冷器件的搭建更为简单、便利，有利于制备具有可靠热电性能的多级热电器件，简化组装步骤，大大降低器件装配难度，提高搭建效率及生产效率，只需一次回流焊即可完成器件的焊接，一次焊接利于保证焊接接头质量的一致性和可靠性，更方便控制焊接工艺的同时，减少对器件的热影响，进而减少对材料性能、界面以及基板材料的影响，可以有效避免器件焊接接头处出现严重界面问题甚至接头失效，进一步减少对化学稳定性差的热电材料的热电性能劣化影响，提高器件制备良品率，通过这样的模具搭设，还能进一步搭设乃至n级器件，实用性佳；并且模具整体结构简单、易于操作、成本低，利于市场化应用和推广。