DE1102780B

DE1102780B - Elektro-thermische Vorrichtung

Info

Publication number: DE1102780B
Application number: DEG28249A
Authority: DE
Inventors: Peter Bryan Curtis
Original assignee: General Electric Co PLC
Current assignee: General Electric Co PLC
Priority date: 1958-10-29
Filing date: 1959-10-28
Publication date: 1961-03-23
Also published as: US2992539A; GB929282A

Description

Die Erfindung betrifft elektro-thermische Vorrichtungen, insbesondere für elektro-thermische Kälteerzeugung, die aus einer zusammengebauten Anordnung von Thermoelementen bestehen, bei denen jeweils einem n-Halbleiterelement ein p-Halbleiterelement zugeordnet ist, wobei diese Halbleiterelemente durch metallische Verbinder elektrisch verbunden sind, so daß warme und kalte thermoelektrische Lötstellen auf entgegengesetzten Seiten der Anordnung entstehen, und wobei diesen Lötstellen Wärmeaustauschglieder zügeordnet sind, die von den metallischen Verbindern durch eine Isolierstoffschicht jeweils elektrisch, jedoch nicht thermisch isoliert sind. Solche Vorrichtungen sind durch die deutsche Auslegeschrift Nr. 1 040 054 und die britische Patentschrift Nr. 780 725 bekanntgeworden.

Vorrichtungen dieser Bauart können in Kühleinheiten für elektro-thermische Kühlvorrichtungen enthalten sein, und in der britischen Patentschrift Nr. 798 882 sind mehrere solche Kühleinheiten beschrieben, die aus einer zusammengebauten Anordnung von Thermoelementen bestehen, bei denen jeweils einem n-Halbleiterelement ein p-Halbleiterelement zugeordnet ist, wobei diese Halbleiterelemente durch metallische Verbinder elektrisch verbunden sind, so daß warme und kalte thermoelektrische Lötstellen auf entgegengesetzten Seiten der Anordnung entstehen, und wobei diesen Lötstellen Wärmeaustauschglieder zugeordnet sind.

Für eine leistungsfähige Arbeitsweise einer solchen Kühleinheit ist es wesentlich, daß der Wärmeübertragungswiderstand zwischen den Lötstellen und ihren zugeordneten Wärmeaustauschgliedern so niedrig wie möglich gehalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Konstruktion der Kühleinheit, bei der die Wärmeraustauschelemente und die Lötstellen so ausgebildet sind, daß sie diese Wärmeübertragung unterstützen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß alle Wärmeaustauschglieder oder ein Teil von ihnen Gußstücke aus Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt sind, die auf die metallischen Verbinder so aufgegossen sind, daß diese in den Gußstücken eingebettet sind.

Unter einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wird ein Metall verstanden, dessen Schmelzpunkt genügend niedrig ist, damit es auf die Verbinder gegossen werden kann, ohne die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung durch Überhitzung zu beeinträchtigen. So können die Gußstücke beispielsweise aus Wood-Metall bestehen. Die Halbleiterelemente bestehen vorzugsweise aus Wismuttellurid. Die metallischen Verbinder können L- oder U-förmige Streifen sein, deren Endteile in den Gußstücken eingebettet Elektro-thermische Vorrichtung

Anmelder:

The General Electric Company Limited,
London

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37,

und Dipl.-Ing, K, Grentzenberg, München 27,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 29. Oktober 1958

Peter Bryan Curtis, Wembley, Middlesex

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

sind. Bei elektro-thermischen Vorrichtungen, deren Wärmeaustauschglieder Kühlrippen aufweisen, kann jedes Wärmeaustauschglied ein aus zwei Teilen zusammengesetzes Stück sein, und zwar aus dem Gußteil aus Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt und aus einem die Kühlrippen aufweisenden Teil.

Zum deutlichen Verständnis der Erfindung werden zwei elektro-thermische Vorrichtungen nach der Erfindung als Beispiele an Hand der schematischen Zeichnung beschrieben, in der die Fig. 1 und 2 Schnitte der beiden Vorrichtungen sind.

Die erste elektro-thermische Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Anordnung von Thermoelementen 1 und Wärmeaustauschgliedern 2, von denen sich ein Glied auf jeder Seite der Anordnung befindet. Die ungleichen Elemente der Thermoelementanordnung werden von p- und n-Wismuttelluridelementen 3 und 4 gebildet, die abwechselnd in einer Anzahl paralleler Reihen angeordnet sind, so daß eine im allgemeinen rechteckige Anordnung entsteht. Die Elemente sind mittels U-förmigen Metallverbindern 5 elektrisch in Reihe geschaltet, so daß warme thermoelektrische Lötstellen auf einer Seite der Anordnung und eine entsprechende Anzahl kalte thermoelektrische Lötstellen auf der anderen Seite der Anordnung entstehen. Jedes Halbleiterelement ist an zwei entgegengesetzten Flächen mit zwei Klemmen 5 versehen, die aus Eisen oder einem anderen eisenhaltigen Metall bestehen und mit den Halbleiterelementen durch das Verfahren ver-

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bunden sind, das in der Complete Specification der schwebenden britischen Patentanmeldung Nr. 32 251/58 beschrieben ist, und an je zwei benachbarten Wismuttelluridelementen werden die zugehörigen angrenzenden Schenkelpaare der Klemmen zusammengelötet, um die Elemente in Reihe zu schalten. Anschlußklemmen 7 sind für äußere Verbindungen vorgesehen. Die Räume zwischen den Halbleiterelementen der Anordnung sind ■mit einem Harzfüllstof&6 gefüllt. Die beiden Seiten der Anordnung einschließlich der Oberflächen der Metallverbinder und der Klemmen 7 sind mit einem Harzfilm überzogen, der dazu dient, die Anordnung gegen die Wärmeaustauschglieder zu isolieren.

Jedes Wärmeaustauschglied ist ein Gußstück aus Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Wood-Metall, xs das auf eine Seite der Anordnung gegossen ist, so daß die mit einem Harzfilm überzogenen Verbinder eingebettet in dem Wärmeaustauschglied liegen, wodurch eine erweiterte Wärmeübertragungsfläche zwischen den Lötstellen und den Wärmeaustauschgliedern ent- ao steht.

Die Erfindung ist im besonderen auf die Konstruktion von Kühleinheiten anwendbar, in denen mehrere Thermoelementanordnungen je nach Lage des Falles in thermischer Reihenschaltung angeordnet sind. So besteht die zweite Vorrichtung gemäß Fig. 2 aus zwei · Thermoelementanordnungen 1, von denen jede aus p- und n-Wismuttelluridelementen 3 und 4 besteht, die so geschaltet sind, daß warme und kalte thermoelektrische Lötstellen wie in der ersten Vorrichtung entstehen. Die Metallverbinder 9, welche die warmen Lötstellen bilden, und die Metallverbinder 10, welche die kalten Lötstellen bilden, sind in diesem Falle L-förmige Streifen, deren aufrechtstehende Schenkel paarweise verlötet sind. Wie in der ersten Vorrichtung liegen die Verbinder eingebettet in Gußstücken aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt, die auf diese gegossen sind. Jedoch ist außer den äußersten Gußstücken 2, die ganz oder teilweise Wärmeaustauschglieder bilden, auch noch ein dazwischen befindliches Gußstück 11 vorhanden, das ein Wärmeaustauschglied zwischen der warmen Oberfläche einer Anordnung und der kalten Oberfläche der anderen Anordnung bildet.

Die Räume zwischen den Elementen 3 und4 sind mit einem Harzfüllstoff 6 gefüllt. Die Verbinder 9 und 10 und die Klemmen 7 sind mit einem Harzfilm überzogen, um die Anordnung gegen die Wärmeaustauschglieder zu isolieren.

Jede der beiden obigen Vorrichtungen kann dadurch modifiziert werden, daß jedes Wärmeaustauschglied 2 als zusammengesetztes Glied ausgebildet wird, das aus einer maschinell bearbeiteten Rippenanordnung und einem Gußstück aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt besteht. Die Legierung würde direkt auf die überzogenen Metallverbinder gegossen werden, so daß sie als ein Füllstoff wirkt, um die Wärmeübertragung zwischen den Rippenanordnungen und den thermoelektrischen Lötstellen zu fördern. In vielen Anwendungsfällen wird diese abgeänderte Konstruktion bevorzugt, da die Rippenanordnung aus Kupfer oder Aluminium- bestehen kann, während die Menge der verwendeten Legierung, die ein verhältnismäßig schlechter Leiter ist, auf einem Minimum gehalten werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektro-thermische Vorrichtung* insbesondere für elektro-thermische Kälteerzeugung, bestehend aus einer zusammengebauten Anordnung von Thermoelementen, bei denen jeweils einem n-Halbleiterelement ein p-Halbleiterelement zugeordnet ist, wobei diese Halbleiterelemente durch metallische Verbinder elektrisch verbunden sind, so daß warme und kalte thermoelektrische Lötstellen auf entgegengesetzten Seiten der Anordnung entstehen, und wobei diesen Lötstellen Wärmeaustauschglieder zugeordnet sind, die von den metallischen Verbindern durch eine Isolierstoff schicht jeweils elektrisch, jedoch nicht thermisch, isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wärmeaustauschglieder oder ein Teil von ihne'n Gußstücke (2, 11) aus Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt sind, die auf die metallischen Verbinder (5,. 9, 10) so aufgegossen sind, daß diese in den Gußstücken (2, 11) eingebettet sind.

2. Elektro-thermische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußstücke (2, 11) aus Wood-Metall bestehen.

3. Elektro-thermische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Verbinder (5, 9, 10) L- oder U-förmige Streifen sind, deren Endteile in den Gußstücken (2, 11) eingebettet sind.

4. Elektro-thermische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche und deren Wärmeaustauschglieder Kühlrippen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmeaustauschglied "ein aus zwei Teilen zusammengesetztes Stück ist, und zwar aus dem Gußteil aus Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt und aus einem die Kühl-' - rippen aufweisenden Teil.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. G 15839 I a/17 a (bekanntgemacht am 9. 8. 1956), Nr. 1 040054;
britische Patentschrift Nr. 780 725.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen