DE102004051543A1

DE102004051543A1 - Thermal battery with in series alternating thermoelectric positive and negative conductor elements and thermoelement useful in semiconductor technology. Has deepened recesses on opposite sides of conductor element surface

Info

Publication number: DE102004051543A1
Application number: DE102004051543A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Müller-Werth
Original assignee: MILIAUSKAITE ASTA; MILIAUSKAITE ASTA DR
Current assignee: MUELLER-WERTH, BERND, 66386 ST. INGBERT, DE
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-04

Abstract

Thermal battery with an in series alternating thermoelectric positive and negative conductor elements (2) and thermoelement (1). The conductor element has deepened recesses (7,8) on opposite sides of the conductor element surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine Thermobatterie mit einer Reihenschaltung abwechselnd thermoelektrisch positive und negative Leiterstücke aufweisender Thermoelemente.The The invention relates to a thermal battery with a series connection alternately having thermoelectric positive and negative conductor pieces Thermocouples.

Eine solche Thermobatterie ist aus der DE 103 42 653 A1 bekannt. Diese bekannte Thermobatterie weist plattenförmige oder blockförmige Leiterstücke auf, wobei die abwechselnd thermoelektrisch positiven und negativen Leiterstücke durch P- und N-leitende Halbleiter gebildet sind.Such a thermobattery is from the DE 103 42 653 A1 known. This known thermal battery has plate-shaped or block-shaped conductor pieces, wherein the alternately thermoelectric positive and negative conductor pieces are formed by P- and N-type semiconductor.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit solcher Thermobatterien zu erhöhen.Of the present invention is based on the object, the performance to increase such thermal batteries.

Die diese Aufgabe lösende Thermobatterie nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstücke auf einander gegenüberliegenden Seiten die Oberfläche der Leiterstücke vergrößernde Einbuchtungen aufweisen.The solving this task Thermobatterie according to the invention is characterized in that the Head pieces on opposite sides the surface the conductor pieces enlarging indentations exhibit.

Durch die Einbuchtungen wird die Oberfläche der Leiterstücke bezogen auf ihre Projektionsfläche in Draufsicht auf die betreffenden Seiten wesentlich erhöht. Entsprechend erhöht sich die Stromkapazität der Thermobatterie.By the indentations are related to the surface of the conductor pieces on her projection screen substantially increased in plan view of the relevant pages. Corresponding elevated the current capacity the thermobattery.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Einbuchtungen auf einer Seite zu den Einbuchtungen auf der anderen Seite in Draufsicht auf die Seiten versetzt angeordnet. Dadurch kann auf beiden Seiten in gleichem Maße eine Oberflächenvergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Leiterstück und den angrenzenden weiteren Leitern des Thermoelements erreicht werden.In the preferred embodiment the invention, the indentations on one side to the indentations arranged on the other side offset in plan view on the sides. This can on both sides to the same extent a surface enlargement of the contact area between the conductor piece and the adjacent other conductors of the thermocouple achieved become.

Insbesondere weisen die Leiterstücke in einem zu den beiden Seiten senkrechten Querschnitt eine Mäanderstruktur auf.Especially have the conductor pieces in a cross section perpendicular to the two sides a meandering structure on.

Vorzugsweise sind innerhalb dieser Mäanderstruktur die zu den Seiten parallelen Abschnitte breiter als die zu den Seiten senkrechten Abschnitte ausgebildet. Durch diese Maßnahme wird die Stabilität der Leiterstücke erhöht. Insbesondere können die senkrechten Abschnitte sehr dünn sein. Mit abnehmender Dicke erhöht sich die Stromkapazität einerseits durch Vergrößerung der Oberfläche und andererseits durch Verringerung des Innenwiderstands.Preferably are within this meander structure the sections parallel to the sides wider than those to the sides formed vertical sections. This measure will the stability the conductor pieces elevated. In particular, you can the vertical sections should be very thin. With decreasing thickness elevated the current capacity on the one hand by enlargement of the surface and on the other hand by reducing the internal resistance.

Die Thermoelemente können auf einander gegenüberliegenden Seiten des Leiterstücks eine Gold-, Silber- oder Nickelschicht als weitere Leiter des Thermoelements aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Goldschicht um eine aufgeschäumte oder aufgesputterte Nanoschicht. Auf die Goldschichten kann zusätzlich jeweils eine Nickelschicht aufgebracht sein.The Thermocouples can on opposite sides Sides of the conductor piece a gold, silver or nickel layer as another conductor of the thermocouple exhibit. Preferably, the gold layer is a frothed or sputtered nanolayer. In addition to the gold layers can each a nickel layer may be applied.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described below with reference to exemplary embodiments and the enclosed, to these embodiments related drawings closer explained. Show it:

1 ein Thermoelement einer Thermobatterie nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht, 1 a thermocouple of a thermal battery according to the invention in a perspective view,

2 ein Thermoelement ähnlich 1 mit Einrichtungen zum Zuführen von Wärme an- und abtransportierenden Medien in Explosivdarstellung, 2 a thermocouple similar 1 with devices for supplying heat to and from the transporting media in explosive representation,

3 die Anordnung von 2 in zusammengesetztem Zustand, 3 the arrangement of 2 in assembled condition,

4 eine Schemadarstellung einer Thermobatterie nach der Erfindung, 4 a schematic representation of a thermal battery according to the invention,

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Thermobatterie nach der Erfindung in einer Teilansicht, und 5 a further embodiment of a thermal battery according to the invention in a partial view, and

6 und 7 verschiedene Ausführungsbeispiele für in der Thermobatterie von 5 verwendbare Wärmekontakte. 6 and 7 various embodiments for in the thermal battery of 5 usable thermal contacts.

Ein Thermoelement 1 weist einen P- oder N-leitenden Halbleiter 2 auf, der auf gegenüberliegenden Seiten mit einer Goldschicht 3 bzw. 4 versehen ist. Anstelle der Goldschichten 3 und 4 könnten z.B. auch Nickelschichten vorgesehen sein. Bei den Goldschichten handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um aufgeschäumte Nanoschichten.A thermocouple 1 has a P- or N-type semiconductor 2 on, on opposite sides with a gold layer 3 respectively. 4 is provided. Instead of the gold layers 3 and 4 For example, nickel layers could also be provided. The gold layers in this exemplary embodiment are foamed nanolayers.

In dem betreffenden Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke der Goldschichten 0,1 mm.In the thickness of the respective embodiment the gold layers 0.1 mm.

Wie 1 ferner erkennen lässt, weist der Halbleiter 2 auf einander gegenüberliegenden Seiten 5 und 6 in Draufsicht auf die Seiten zueinander versetzte Einbuchtungen 7 und 8 auf, so dass sich in einem zu den Seiten 5, 6 senkrechten Querschnitt eine mäanderförmige Struktur ergibt. In dem betreffenden Ausführungsbeispiel betragen:
D = 1,2 mm, g = 2 mm, b = 0,6 mm, d = 0,8 mm, D* = 0,4 mm.As 1 furthermore, the semiconductor points 2 on opposite sides 5 and 6 in plan view of the sides mutually offset indentations 7 and 8th on, so in one to the sides 5 . 6 vertical cross section results in a meandering structure. In the relevant embodiment:
D = 1.2mm, g = 2mm, b = 0.6mm, d = 0.8mm, D * = 0.4mm.

Durch die Einbuchtungen 7 und 8 sind die Flächen der einander gegenüberliegenden Seiten 5 und 6 des Halbleiters 2 wesentlich vergrößert.Through the indentations 7 and 8th are the surfaces of the opposite sides 5 and 6 of the semiconductor 2 significantly enlarged.

Durch noch schmalere Einbuchtungen ließe sich diese Oberfläche noch weiter vergrößern. Für die Herstellung der Einbuchtungen kommen neben zerspanender Bearbeitung, z.B. durch Fräsen, auch Laserschneidverfahren, Erodierverfahren und Schleifverfahren in Betracht. Schließlich ließe sich der Halbleiter auch durch Sintern herstellen.By even narrower indentations, this surface could still continue to enlarge. For the production the indentations come next to machining, e.g. by milling, also laser cutting, erosion and grinding into consideration. After all could the semiconductors can also be produced by sintering.

Die zu den Seiten 5 und 6 senkrechten Abschnitte 33 der Mäanderstruktur können abweichend von dem gezeigten Beispiel viel dünner als die dazu parallelen Abschnitte 32 ausgebildet sein, wodurch sich die Stromkapazität der Thermobatterie erhöht.The to the sides 5 and 6 vertical sections 33 Unlike the example shown, the meander structure can be much thinner than the sections parallel thereto 32 be formed, which increases the current capacity of the thermal battery.

2 zeigt ein dem Thermoelement 1 von 1 ähnliches Thermoelement 1a mit Einbuchtungen 7a und 8a. Die Einbuchtungen 7a und 8a sind jeweils durch eine Kupferplatte 10 bzw. 11 abgedeckt. Durch die Abdeckungen gebildete Kanäle sind an ihren Enden durch Stirnplatten 11 und 12 verschlossen. 2 shows a the thermocouple 1 from 1 similar thermocouple 1a with indentations 7a and 8a , The indentations 7a and 8a are each covered by a copper plate 10 respectively. 11 covered. Channels formed by the covers are at their ends by end plates 11 and 12 locked.

Die Kupferplatten 9 und 10 weisen Öffnungen derart auf, dass jedem Kanal eine Einlassöffnung 13 und eine Auslassöffnung 14 zugeordnet ist.The copper plates 9 and 10 have openings such that each channel has an inlet opening 13 and an outlet opening 14 assigned.

In einer Thermobatterie sind in den 2 und 3 gezeigte Elemente in einem Kubus vielfach in unterschiedlichen Ebenen angeordnet, wobei zwischen den Ebenen Leitungseinrichtungen abwechselnd für ein Kühlmedium und ein Heizmedium vorgesehen sind, so dass die eine Seite der Thermoelemente 1a auf einer höheren Temperatur als die andere Seite der Thermoelemente gehalten wird. Indem abwech selnd in den verschiedenen Ebenen P- und N-leitende Halbleiter 1a vorgesehen sind, addieren sich die Spannungen der in Reihe geschalteten Ebenen.In a thermobattery are in the 2 and 3 shown elements in a cube often arranged in different planes, wherein between the levels of conduit means are provided alternately for a cooling medium and a heating medium, so that the one side of the thermocouples 1a is kept at a higher temperature than the other side of the thermocouples. By alternating in the different levels P- and N-type semiconductors 1a are provided, the voltages of the series-connected levels add up.

Anstelle der Stirnplatten 11 und 12 könnten auch Thermoelemente verwendet werden, in denen die Einschnitte 7a bzw. 8a nicht durchgehend ausgebildet und an den betreffenden Enden den Stirnplatten entsprechende Sperrwände belassen sind.Instead of face plates 11 and 12 Thermocouples could also be used in which the incisions 7a respectively. 8a not continuously formed and at the respective ends of the end plates corresponding barrier walls are left.

In einem in 4 gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel sind Thermoelemente 1b in einem Kubus in einer Vielzahl von Ebenen angeordnet, wobei die Thermoelemente 1b abwechselnd N-leitende und P-leitende Halbleiter 2b bzw. 2b' aufweisen.In an in 4 shown alternative embodiment are thermocouples 1b arranged in a cube in a variety of levels, with the thermocouples 1b alternating N-type and P-type semiconductors 2 B respectively. 2 B' exhibit.

Die Thermoelemente 1b sind zwischen Kupferplatten 15, 15' angeordnet, wobei die Platten 15 bei 16 mit Wärmeleitern 18 und die Platten 15' bei 17 mit Wärmeleitern 19 in Verbindung stehen. Die auf unterschiedlichen Temperaturen gehaltenen Wärmeleiter 18 und 19 sind in dem betreffenden Ausführungsbeispiel als sogenannten Heatpipes ausgebildet, in denen Wärme durch Konvektion transportiert wird. Die Platten 15, 15' bestehen jeweils aus zwei Lagen.The thermocouples 1b are between copper plates 15 . 15 ' arranged, with the plates 15 at 16 with heat conductors 18 and the plates 15 ' at 17 with heat conductors 19 keep in touch. The heat conductors held at different temperatures 18 and 19 are formed in the embodiment in question as so-called heat pipes, in which heat is transported by convection. The plates 15 . 15 ' each consist of two layers.

Wie bei 40 angedeutet ist, können die Einbuchtungen des Halbleiters mit einer gut Wärme und elektrischen Strom leitenden Gold-, Silber- oder Nickelpaste oder massiven Leiterstücken ausgefüllt sein.As in 40 is indicated, the indentations of the semiconductor can be filled with a good heat and electric current conductive gold, silver or nickel paste or solid conductor pieces.

Wie aus 5 hervorgeht, stehen die Wärmeleiter 18 im Wärmekontakt mit einem strömenden Medium, das mit einer Temperatur T2 in eine Wärmetauscherkammer 20 einströmt, die Wärmeleiter 19 mit einem Medium, das mit einer Temperatur T1 in eine Wärmetauscherkammer 21 einströmt. Gemäß Pfeil 22 fließt Wärme durch die Thermobatterie von der Kammer 20 in die Kammer 21.How out 5 shows, are the heat conductors 18 in thermal contact with a flowing medium having a temperature T2 in a heat exchange chamber 20 flows in, the heat conductors 19 with a medium having a temperature T1 in a heat exchange chamber 21 flows. According to arrow 22 Heat flows through the thermobattery from the chamber 20 in the chamber 21 ,

Die 6 und 7 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele für die Ausbildung von Wärmekontakten zwischen den Kupferplatten 15, 15' und den Wärmeleitern 18, 19, wobei in 6 und 7 beispielhaft Kontakte zu den Wärmeleitern 19 gezeigt sind.The 6 and 7 show different embodiments for the formation of thermal contacts between the copper plates 15 . 15 ' and the heat conductors 18 . 19 , where in 6 and 7 exemplary contacts to the heat conductors 19 are shown.

Die rohrförmigen Wärmeleiter 19 weisen auf ihrer Mantelfläche eine durch Eloxieren gebildete elektrische Isolationsschicht 23 auf. Die Kupferplatten 15 grenzen mit einem den Wärmeleiter umgebenden Öffnungsrand 24 jeweils gegen einen auf der Mantelfläche des Wärmeleiters 19a aufsitzenden Ring 25 an. Der Ring besteht aus Kunststoff und isoliert die Kupferplatten 15 thermisch gegen den Wärmeleiter 19.The tubular heat conductors 19 have on their lateral surface an electrical insulation layer formed by anodizing 23 on. The copper plates 15 border with a heat conductor surrounding the opening edge 24 each against one on the lateral surface of the heat conductor 19a seated ring 25 at. The ring is made of plastic and insulates the copper plates 15 thermally against the heat conductor 19 ,

Die abwechselnd zwischen den Kupferplatten 15 angeordnete Kupferplatten 15' stehen jeweils über Ringteile 26 und 27 in thermisch leitender Verbindung mit dem Wärmeleiter 19. In dem betreffenden Ausführungsbeispiel bestehen die Ringteile 26 und 27 aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Material.The alternating between the copper plates 15 arranged copper plates 15 ' are each about ring parts 26 and 27 in thermally conductive connection with the heat conductor 19 , In the relevant embodiment, the ring parts exist 26 and 27 made of copper or another good heat-conducting material.

An den Ringteilen 26 sind jeweils ein Stufenansatz 28 und eine Ringnut 29 gebildet. In die Ringnut 29 greift ein Schenkel 30 des im Querschnitt gewinkelten Ringteils 27 ein.At the ring parts 26 are each a step approach 28 and an annular groove 29 educated. In the ring groove 29 grab a thigh 30 of the angled cross-section ring part 27 one.

Die Länge des Winkelschenkels 30 ist geringer als die Tiefe der Ringnut 29, so dass der Winkelschenkel nicht auf dem Boden der Nut aufsitzt und die Kupferplatten 15' an einem Öffnungsrand 24' zwischen den Ringteilen 26 und 27 unter Sicherung eines intensiven Wärmekontakts eingeklemmt werden.The length of the angle leg 30 is less than the depth of the annular groove 29 so that the angle leg is not seated on the bottom of the groove and the copper plates 15 ' at an opening edge 24 ' between the ring parts 26 and 27 be clamped under protection of an intense thermal contact.

Der in 6 gezeigte Aufbau erleichtert die Montage der Thermobatterie, wobei aufeinanderfolgend Schichten aus Thermoelementen mit abwechselnd P- und N-leitenden Halbleitern und Kupferplatten 15, 15' auf die Vielzahl von Wärmeleitern aufgesetzt werden können. Zweckmäßig werden vorgefertigte Baugruppen aus Thermoelementen und jeweils einer Lage der Platten 15, 15' auf jeder Seite der Thermoelemente gebildet.The in 6 The structure shown facilitates the assembly of the thermal battery, wherein successive layers of thermocouples with alternating P- and N-type semiconductors and copper plates 15 . 15 ' counted on the variety of heat conductors can be set. Advantageously, prefabricated assemblies of thermocouples and each one position of the plates 15 . 15 ' formed on each side of the thermocouples.

7 zeigt eine gegenüber 6 etwas vereinfachte Ausführungsform mit zu den Ringteilen 26 und 27 unterschiedlich ausgebildete Ringteile 26c und 27c. 7 shows one opposite 6 somewhat simplified embodiment with the ring parts 26 and 27 differently shaped ring parts 26c and 27c ,

Das Ringteil 26c weist einen verlängerten Stufenansatz 28c auf, so dass ein Winkelschenkel 30c des Ringteils 27c in einen Zwischenraum zwischen dem Öffnungsrand 24' der Kupferplatte 15' und dem Ringteil 26c eingreift. Bei 31 sind an den Ringteilen 26c und 27c gegeneinander anliegende, zentrierende Konusflächen gebildet.The ring part 26c has an extended step approach 28c on, leaving an angle leg 30c of the ring part 27c in a space between the opening edge 24 ' the copper plate 15 ' and the ring part 26c intervenes. at 31 are at the ring parts 26c and 27c formed against each other, centering conical surfaces.

Die Ringteile 26, 27 könnten gegenüber den Ringen 25 axial länger ausgebildet sein und mit Keilflächen gegeneinander anliegen.The ring parts 26 . 27 could be against the rings 25 be formed axially longer and bear against each other with wedge surfaces.

Die in 6 und 7 gezeigten Lösungen ließen sich auch bei Thermobatterien einsetzen, welche keine Leiterstücke mit durch Einbuchtungen vergrößerter Oberfläche sondern z.B. plattenförmige Leiterstücke verwendet.In the 6 and 7 Solutions shown could also be used in thermal batteries, which does not use conductor pieces with enlarged by indentations surface but eg plate-shaped conductor pieces.

Claims

Thermocouple with a series connection alternately thermoelectric positive and negative conductor pieces ( 2 ) having thermocouples ( 1 ), characterized in that the conductor pieces ( 2 ) on opposite sides ( 5 . 6 ) the surface of the conductor pieces ( 2 ) enlarging indentations ( 7 . 8th ) exhibit.

Thermobatterie according to claim 1, characterized in that the indentations ( 7 ) on one side ( 5 ) to the indentations ( 8th ) on the other hand ( 6 ) in plan view of the pages ( 5 . 6 ) are arranged offset.

Thermobatterie according to claim 1 or 2, characterized in that the conductor pieces ( 2 ) in one of the pages ( 5 . 6 ) vertical cross-section have a meander structure.

Thermobattery according to claim 3, characterized in that to the sides ( 5 . 6 ) parallel sections ( 32 ) wider than to the sides ( 5 . 6 ) vertical sections ( 33 ) of the meander structure are formed.

Thermobatter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the thermocouples ( 1 ) alternately P- and N-type semiconductors ( 2 ) exhibit.

Thermobatter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermocouples ( 1 ) on the opposite sides ( 5 . 6 ) of the conductor piece ( 2 ) applied gold layers ( 3 . 4 ), Silver layers or nickel layers.

Thermobatter according to claim 6, characterized in that the gold layers ( 3 . 4 ) are foamed nanolayers.

Thermobatter according to claim 6 or 7, characterized that a nickel layer is further applied to the respective gold layer is.

Thermobatter according to one of claims 1 to 8, characterized in that the thermocouples between both heat and electric current conducting plates ( 15 . 15 ' ) are arranged, which with maintained at different temperatures heat conductors ( 18 . 19 ) keep in touch.

Thermobatterie according to claim 9, characterized in that the heat conductors ( 18 . 19 ) are tubular and over an opening edge ( 24 . 24 ' ) of the plates ( 15 . 15 ' ) between clamping ring parts ( 26 . 27 ) with the heat conductors ( 18 . 19 ) are in thermal contact.