DE1067833B - Combination of a Peltier cooling element with a dry rectifier - Google Patents
Combination of a Peltier cooling element with a dry rectifierInfo
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Description
/ζ M 63*/ ζ M 63 *
Die Entwicklung geeigneter Halbleitersubstanzen hat dazu geführt, den Bau von Kühlelementen zu betreiben, die auf dem Peltier-Effekt beruhen. Diese Elemente sind, wie in Fig. 1 dargestellt, im wesentlichen aus fünf Bauteilen zusammengesetzt, den metallischen, meist aus Kupfer bestehenden Wärmeaustauschern 1, 3 und 5 sowie den beiden Schenkeln des Kühlelementes 2 und 4, von denen der eine η-leitend ist und z. B. aus festen Lösungen von Bi2Te3 und Bi2Se3 besteht, während der andere p-leitend ist und z. B. aus festen Lösungen von Bi2Te3 und Sb2Te3 besteht. Diese Bauteile sind meist durch Lötschichten z. B. aus Bi Sn-Legierungen oder indiumhaltigen Legierungen miteinander elektrisch leitend verbunden. Verwendet man die Wärmeaustauscher 1 und 5 als Zuleitungen für einen Gleichstrom der Richtung, daß der η-Schenkel gegenüber dem p-Schenkel auf positivem Potential liegt, so werden die durch Löten erzeugten Kontaktstellen zwischen den Teilen 1 und 2 sowie zwischen den Teilen 4 und 5 zu den warmen Kontaktstellen des Kühlelementes, während die Kontaktstellen an dem Wärmeaustauscher 3 sich abkühlen. Der Wärmeaustauscher 3 ist also in der Lage, seiner Umgebung Wärme zu entziehen, während die Wärmeaustauscher 1 und 5 Wärme an ihre Umgebung abgeben.The development of suitable semiconductor substances has led to the construction of cooling elements based on the Peltier effect. As shown in FIG. 1, these elements are essentially composed of five components, the metallic heat exchangers 1, 3 and 5, usually made of copper, and the two legs of the cooling element 2 and 4, one of which is η-conductive and z. B. consists of solid solutions of Bi 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 , while the other is p-type and z. B. consists of solid solutions of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 . These components are usually through solder layers z. B. made of Bi Sn alloys or alloys containing indium connected to one another in an electrically conductive manner. If the heat exchangers 1 and 5 are used as feed lines for a direct current in the direction that the η-leg is at positive potential with respect to the p-leg, then the contact points between parts 1 and 2 and between parts 4 and 5 created by soldering to the warm contact points of the cooling element, while the contact points on the heat exchanger 3 cool down. The heat exchanger 3 is thus able to extract heat from its surroundings, while the heat exchangers 1 and 5 give off heat to their surroundings.
Wie bereits ausgeführt, arbeitet ein derartiges Kühlelement mit Gleichstrom, erfordert also für seinen Betrieb im allgemeinen einen Gleichrichter etwa derart, wie er in Form von Silizium- oder Germaniumgleichrichtern oder solchen mit halbleitenden Verbindungen bereits in sehr widerstandsfähiger Form zur Verfügung steht. Anderseits ist der Betrieb dieser Gleichrichter an die Einhaltung gewisser oberer Grenzwerte für die Betriebstemperatur gebunden, so daß diese Gleichrichter ihrerseits meist einer zusätzlichen Kühlung bedürfen. Diese Kühlung wurde bisher als Luft- oder Flüssigkeitskühlung mit oder ohne Zwangsumlauf des Kühlmittels, bisweilen auch als Siedekühlung ausgebildet. Es ist auch bereits bekannt, einen Gleichrichter in der Innenwand eines Gehäuses unterzubringen und die Außenwand dieses Gehäuses mit einem Peltier-Kühler thermisch zu kontaktieren, wobei der in dem Gleichrichter erzeugte Gleichstrom durch die Kühlelemente geleitet wurde. Es handelt sich jedoch dabei lediglich um den Ersatz einer bekannten Kühleinrichtung für die Kühlung über die Gehäusewandung, z. B. Wasserkühlung, durch eine andere, nämlich die elektrothermische Kühlung.As already stated, such a cooling element works with direct current, so it requires for its operation in general a rectifier something like that in the form of silicon or germanium rectifiers or those with semiconducting connections are already very resistant Form is available. On the other hand, the operation of this rectifier is subject to compliance with certain upper ones Limit values for the operating temperature bound, so that these rectifiers for their part usually have an additional Need cooling. This cooling was previously available as air or liquid cooling with or without Forced circulation of the coolant, sometimes also designed as evaporative cooling. It is also already known accommodate a rectifier in the inner wall of a housing and the outer wall of this housing to contact thermally with a Peltier cooler, the direct current generated in the rectifier passed through the cooling elements. However, it is only a matter of replacing a known one Cooling device for cooling through the housing wall, e.g. B. water cooling, by a others, namely electrothermal cooling.
Gegenstand der Erfindung ist eine Kombination eines Peltier-Kühlelementes mit einem Trockengleichrichter, der Germanium, Silizium oder eine halbleitende Verbindung enthält, und die sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß beide Kombination eines Peltier-Kühlelementes mit einem TrockengleichrichterThe subject of the invention is a combination of a Peltier cooling element with a dry rectifier, which contains germanium, silicon or a semiconducting compound, and which differs from the previously known differs in that both combinations of a Peltier cooling element with a dry rectifier
Anmelder:Applicant:
LICENTIA Patent-Verwaltungs - G. m. b. H., Hamburg 36, Hohe Bleichen 22LICENTIA Patent Administration - G. m. B. H., Hamburg 36, Hohe Bleichen 22
Dr. rer. nat. Siegfried Poganski, Rüthen/Möhne,
ist als Erfinder genannt wordenDr. rer. nat. Siegfried Poganski, Rüthen / Möhne,
has been named as the inventor
Zuleitungen zu den Elektroden des Trockengleichrichters möglichst nahe an den Elektroden aus je einem p- oder η-Schenkel eines elektrothermischen Kühlelementes derart bestehen, daß bei Stromdurchgang in Durchlaßrichtung die Verbindung der Schenkel mit den Elektroden des Gleichrichters die kalten Kontaktstellen und die Verbindungen der Schenkel mit den übrigen Zuleitungen die warmen Kontaktstellen des Kühlelementes darstellen.Supply lines to the electrodes of the dry rectifier as close as possible to the electrodes from each a p- or η-leg of an electrothermal cooling element exist in such a way that when current passes through in the forward direction the connection of the legs with the electrodes of the rectifier cold contact points and the connections of the legs with the other supply lines the warm Represent contact points of the cooling element.
In Fig. 2 ist in zum Teil schematischer Darstellung ein Beispiel einer Kombination gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 6 ist die Trägerelektrode eines Germaniumgleichrichters bezeichnet, auf der z. B. mit Antimon enthaltendem Lot ein η-leitendes Germaniumscheibchen 7 nahezu sperrfrei aufgelötet ist. Mit 8 ist die aus einer stark indiumhaltigen Legierung bestehende Gegenelektrode bezeichnet, die unter Ausbildung eines sperrfähigen p-n-Überganges an das Germaniumplättchen gelötet ist. Sowohl die an die Gegenelektrode 8 als auch die an die Trägerelektrode 6 führenden Zuleitungen bestehen möglichst nahe an den Elektroden 6 und 8, d. h. z. B.In Fig. 2 is a partially schematic illustration of an example of a combination according to the teaching of present invention illustrated. The carrier electrode of a germanium rectifier is denoted by 6, on the z. B. with antimony containing solder an η-conductive germanium disc 7 almost is soldered lock-free. With 8 is the counter electrode consisting of an alloy with a high content of indium referred to, which are soldered to the germanium plate with the formation of a blockable p-n junction is. Both the feed lines leading to the counter electrode 8 and to the carrier electrode 6 exist as close as possible to electrodes 6 and 8, d. H. z. B.
von diesen nur getrennt durch eine dünne Lotschicht, aus je einem Schenkel 9 und 10 eines elektrothermischen Kühlelementes, wobei der Schenkel 10 η-leitend und der Schenkel 9 p-leitend ist. Bei der Auswahl der Lote ist dabei tunlich darauf zu achten, daß sie mit den Schenkeln einen möglichst geringen Kontaktwiderstand zeigen. Die übrigen Teile der Zuleitungen, die hier noch als Wärmeaustauscher 11 und 12 dienen, sind an die Schenkel 9 und 10 "angelötet. Bei Durchgang des Stromes durch den Gleich-from these only separated by a thin layer of solder, each from one leg 9 and 10 of an electrothermal Cooling element, the leg 10 η-conductive and the leg 9 is p-conductive. In the When selecting the plumb bob, it is important to ensure that it is as small as possible with the legs Show contact resistance. The remaining parts of the supply lines, which are still used here as heat exchangers 11 and 12 are soldered to the legs 9 and 10 ". When the current passes through the direct
309 640/C1309 640 / C1
richter in Durchlaßrichtung wirken die Lötstellen zwischen den Teilen 6 und 9 sowie zwischen den Teilen 8 und 10 als die kalten Kontaktstellen der Kombination und die Lötstellen zwischen den Teilen 9 und 11 sowie zwischen den Teilen 10 und 12 als die warmen Kontaktstellen.judge in the forward direction act the soldering points between the parts 6 and 9 and between the Parts 8 and 10 as the cold contact points of the combination and the soldering points between the parts 9 and 11 as well as between the parts 10 and 12 as the warm contact points.
Die Kombination ist erfindungsgemäß besonders zum Kühlen von Gleichrichtern geeignet. Da nun eine optimale Kühlwirkung dann zustande kommt, wenn bei gleicher effektiver Thermospannung der Schenkel die beiden kalten Kontaktstellen möglichst auf der gleichen Temperatur liegen, empfiehlt es sich bei der Verwendung von Elementen mit Schenkeln etwa gleicher effektiver Thermospannung, die Sperrschicht als das Zentrum der Wärmeerzeugung in dem Halbleiter des Trockengleichrichters möglichst nahe an die Trägerelektrode zu legen. Dies kann bei dem Gegenstand nach Fig. 2 etwa durch Verwendung von p-leitendem Germanium für die Scheibe 7 oder durch Austausch der Lote zwischen dem Halbleiterkörper ao und den Elektroden geschehen. Durch die Verlagerung der Sperrschicht an die Trägerelektrode wird bewirkt, daß der Wärmezufluß zu den beiden Schenkeln keine oder eine geringe Differenz aufweist als bei den üblichen Anordnungen. Stehen jedoch Elemente mit Schenkeln unterschiedlicher effektiver Thermospannung zur Verfügung, so liegt mit Vorteil der Schenkel mit der höheren effektiven Thermospannung an der der Sperrschicht näher benachbarten Elektrode.According to the invention, the combination is particularly suitable for cooling rectifiers. There is now one optimal cooling effect is achieved when the leg is at the same effective thermal voltage If the two cold contact points are as close as possible to the same temperature, it is advisable to use the Use of elements with legs with approximately the same effective thermal voltage, the barrier layer as the center of heat generation in the semiconductor of the dry rectifier as close as possible to the To lay the carrier electrode. This can be done in the case of the object according to FIG. 2, for example, by using p-type germanium for the disc 7 or by exchanging the solder between the semiconductor body ao and the electrodes happen. Moving the barrier layer to the carrier electrode causes that the heat flow to the two legs has little or no difference than with the usual arrangements. However, there are elements with legs with different effective thermal voltages available, the leg with the higher effective thermal voltage is advantageously on the the electrode closer to the barrier layer.
Die Verminderung des Wärmewiderstandes zwischen den Schenkeln und der Sperrschicht kann erfindungsgemäß noch dadurch gefördert werden, daß, wie in dem Beispiel nach Fig. 3 zum Teil schematisch dargestellt ist, die beiden Schenkel 13 und 14 des Kühlelementes unter Verwendung solcher Lote 15 und 16 unmittelbar an den Halbleiterkörper 17 angelötet sind, daß sie in dem Halbleiterkörper n- bzw. p-Leitung hervorrufen.The reduction of the thermal resistance between the legs and the barrier layer can according to the invention can still be promoted in that, as shown in the example of FIG. 3 in part schematically is, the two legs 13 and 14 of the cooling element using such solders 15 and 16 are soldered directly to the semiconductor body 17 that they are n- or p-conductors in the semiconductor body cause.
Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Kombination auch zum Einstellen von Betriebstemperatüren unterhalb der Umgebungstemperatur bei Trockengleichrichtern mit Halbleitern, deren Bandabstand kleiner als 0,7 eV ist, wie z. B. die intermetallischen Verbindungen InSb mit 0,16 eV, InAs mit 0,35 eV oder GaSb mit 0,67 eV. Derartige Halbleiter führen zu Trockengleichrichtern mit kleiner Schleusenspannung. Andererseits haben Gleichrichter mit kleiner Schleusenspannung gewöhnlich hohe Rückströme. Während nun aber bei Übergang zu tiefen Temperaturen die Schleusenspannung annähernd erhalten bleibt, nimmt der Rückstrom nahezu exponentiell ab. Man erhält also die Möglichkeit, Gleichrichter mit kleiner Schleusenspannung auch mit kleinem Rückstrom bei nahezu konstant gehaltener Schleusenspannung zu betreiben.The combination according to the invention is also particularly suitable for setting operating temperatures below the ambient temperature for dry rectifiers with semiconductors, their band gap is less than 0.7 eV, e.g. B. the intermetallic compounds InSb with 0.16 eV, InAs with 0.35 eV or GaSb with 0.67 eV. Such semiconductors lead to dry rectifiers with smaller Lock voltage. On the other hand, rectifiers with low lock voltage usually have high reverse currents. While now, however, the lock voltage is more or less maintained at the transition to low temperatures remains, the reverse current decreases almost exponentially. So you get the option of rectifiers with a small lock voltage also with a small reverse current with a lock voltage that is kept almost constant to operate.
Die Kombinationen nach der Erfindung lassen sich auch in Reihe schalten, wobei es für einen gedrängten Aufbau besonders günstig ist, wenn, wie in Fig. 4 als Beispiel und zum Teil schematisch dargestellt, je zwei benachbarten Trockengleichrichtern 18 und 19 ein Wärmeaustauscher 20 an ihren einander zugekehrten warmenKontaktstellen 21 und 22 gemeinsam ist.The combinations according to the invention can also be connected in series, whereby it is a compact one Construction is particularly favorable if, as shown in Fig. 4 as an example and partly schematically, each two adjacent dry rectifiers 18 and 19 a heat exchanger 20 on their facing each other warm contact points 21 and 22 is common.
Weiterhin kann gemäß der Erfindung die Kombination außer zum Kühlen des in ihr enthaltenen Trockengleichrichters auch noch zum Kühlen von Räumen, Substanzen oder Gegenständen benutzt werden, mit denen der an den kalten Kontaktstellen befindliche Wärmeaustauscher in thermischem Kontakt steht. Dabei wird mit besonderem Vorteil die Trägerelektrode des Trockengleichrichters als Wärmeaustauscher oder als Teil eines Wärmeaustauschers verwendet oder ausgebildet. Dies ist in Fig. 5 in zum Teil schematischer Darstellung in einem Beispiel erläutert. Mit 23 ist der Wärmeaustauscher an den kalten Kontaktstellen bezeichnet. Er dient zugleich als Trägerelektrode eines Trockengleichrichters im Sinne von Fig. 2, der im wesentlichen aus dem Halbleiterkörper 24 und der Gegenelektrode 25 besteht. Mit 26 und 27 sind die beiden Schenkel des Kühlelementes bezeichnet, die ihrerseits mit den Wärmeaustauschern 28 und 29 elektrisch und thermisch kontaktiert sind.Furthermore, according to the invention, the combination can except for cooling the contained therein Dry rectifier is also used to cool rooms, substances or objects with which the heat exchanger located at the cold contact points is in thermal contact stands. The carrier electrode of the dry rectifier is used as a heat exchanger with particular advantage or used or formed as part of a heat exchanger. This is in Fig. 5 in for Partly schematic representation explained in an example. With 23 the heat exchanger is on the cold contact points. It also serves as the carrier electrode of a dry rectifier in the 2, which essentially consists of the semiconductor body 24 and the counter electrode 25. With 26 and 27, the two legs of the cooling element are referred to, which in turn with the heat exchangers 28 and 29 are electrically and thermally contacted.
Bei der geringen Spannung, die für die elektrothermische Kühlung erforderlich ist, würde es ausreichen, nur eines oder eine geringe Anzahl der meist in Reihe geschalteten Kühlelemente etwa nach Fig. 5 auszubilden und den übrigen Elementen die herkömmliche Form zu geben, die in Fig. 1 skizziert ist.Given the low voltage required for electrothermal cooling, it would be sufficient to only one or a small number of the cooling elements, which are usually connected in series, for example according to FIG. 5 and to give the other elements the conventional shape that is sketched in FIG.
Zur Verstärkung der Kühlwirkung empfiehlt es sich, die Wärmeaustauscher an den warmen Kontaktstellen der Einwirkung eines Rückkühlmittels, vorzugsweise eines weiteren Peltier-Kühlelementes, auszusetzen. To increase the cooling effect, it is advisable to place the heat exchangers at the warm contact points to the action of a recooling agent, preferably a further Peltier cooling element.
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1958
- 1958-11-03 DE DEL31636A patent/DE1067833B/en active Pending
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Also Published As
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| GB908476A (en) | 1962-10-17 |
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