-
Thermoelektrische Anordnung Der Zusammen au von Thermoelementschenkeln
(die auf dem Schmelz- oder Sinterwege hergestellt wurden) zu einem. thermoelektrischen
Gerät erfolgt in der Praxis bisher durch aufwendige und zeitraubende Verfahren,
-wie Kontaktieren der Kontaktflächen der Thermoelementschenkel, z. B. durch Verwismuten,
eventuell unter Anwendung von Ultraschall, oder durch galvanische Vernickelung und
Auflöten von elektrisch leitenden Verbindungsbrücken, Es ist jedoch auch schon vorgeschlagen
worden, bei einer Anordnung mit nebeneinander angeordneten und durch Isoliermaterial
voneinander getrennten Thermoelementschenkeln als elektrische Kontaktglieder Leitlackstreifen
zu verwenden, die mit galvanischer Metallauftragung zu Metallstreifen verstärkt
sind (deutsche Patentschrift 1166 860).
-
Es ist bekannt, bei Thermogeneratoren nebeneinanderliegende Blöcke
aus unterschiedlichen thermoelektrisch wirksamen Materialien an einem Ende dadurch
elektrisch zu verbinden, daß ein Ansatz des einen Blockes in eine entsprechende
Aussparung des benachbarten Blockes mit Paßsitz eingreift (deutsche Patentschrift
105 170). Ferner ist bereits ein Thermogenerator beschrieben worden, bei
dem die zusammenwirkenden Körper aus unterschiedlichen thermoelektrisch wirksamen
Materialien als Ringscheiben ausgebildet sind und die, eine Scheibe an den Rändern
ringförinige Erhebungen aufweist, die mit den benachbarten Scheiben Kontakt bilden
_(deutsche Patentschrift 878521). Bei thermoelektrischen Anordnungen ist
es weiterhin bekannt, nebeneinanderliegende, Schenkel in Parallelogrammform mit
I-Elfe einer isolierenden Masse zu einem Block zu vergießen (britische Patentschrift
874 660).
-
Die Erfindung bezieht sich auf -eine thermoelektrische. Anordnung
zur Kühlung bzw. Erwärmung oder zur Stromerzeugung, bei der Schenkel mit paarweise
gleichen Querschnitten in Parallelogrammform vorgesehen und zu einem Block mit Hilfe
eines isolierenden organischen oder an . organischen Klebemittels kleiner
Wärmeleitfähigkeit zusammengeklebt oder vergossen sind und bei der mindestens die
Schenkel des einen Leitungstyps- einen oder zwei leistenartige Vorsprünge besitzen
und - die einzelnen Schenkel derart geformt sind, daß beim Zusammen
fügen
zweier Schenkel eine Kontaktbrücke. gebildet wird.
-
Die Erfindung besteht darin, daß die Kontakt" brücken durch auf Dieb
Stirnflächen der Schenkel aufgedampfte und/oder aufgespritzte und[oder gaIvanisch
aufgebrachte Metallschichten und/oder aufgeklebte Metallfolieii verstärkt sind.
Gegenüber der bisher üblichen Verwendung von MetaRbrücken, die auf die metallisiärten
Stimflächen der Thermoelementschenkel aufgelötet sind, ergibt die Erfindung eine
erhebliche Vereinfachung, so daß in wirtschaftlicher Hins ' icht bedeutende
Ersparnisse erzielt werden können. Andererseits wird durch die Erflndung gegen-über
den bekannten Anordnungen,
bei denen die Kontaktbrücken lediglich -durch die
der Halbleiterschen - kel gebildet sind, eine Verbesserung des Wirkungsgrades
erreicht. Bei Verwendung von Kontaktbrücken, die lediglich aus Halbleitermaterial
bestehen, ergibt. sich nämlich innerhalb der Schenkel eine ungleichmäßige
Stromdichteverteilung, da sich der Strom in der Nähe der relativ schmalen
Brücken konzentriert. Aus der ungleichmäßigen Stromdichteverteilung ergeben sich
wiederum erhöhte, Verluste und damit eine Herabset zung des Wirkungsgrades. Dies
wird durch die Metallisierung der an -die- Verbindungsstellen angrenzenden Stirnflächen
der Schenkel vermieden. Da der spezifische Widerstand der Metallschicht
um Größenordnungen kleiner ist als der des Halbleitermaterials, ergibt sich.
unabhängig von der Lage der Halbleiterbrücken eine gleichmäßige Stromverteilung.
-
Die Erfindung ist insbesondere bei solchen Anordnugen _anwendbar,
bei denen als Schenkel gepreßte oder gesinterte Fertigformteile verwendet sind.
Als Schenkel können aber auch im Schmelzvorgang hergestellte und bearbeitete Teile
verwendet sein.
-
In den F i g. 2 bis 9 sind einige Möglichkeiten für
die Verbindung von thermoelektrischen Schenkeln im Rahmen der Erfindung dargestellt.
F i g. 1 zeigt die bisherige Methode. In den Figuren bedeutet A
einen
Schenkel ohne leistenartige Vorsprünge mit einer bestimmten Leitungsart,
beispielsweise mit p-Leitung; der in den Figuren ün Querschnitt schrafflerte Körper
mit der entgegengesetzten Leitungsart (beispielsweise n-Leitung) wird durch'gekennzeichnet.
Mit
B ist ein Schenkel angegeben, der einen einzigen leistenartigen Vorsprung hat und
p-leitend ist. B' (im Querschnitt schraffiert) ist dann ein n-leitender Schenkel
mit einem leistenartigen Vorsprung.
-
Mit C ist ein Schenkel bezeichnet, der zwei leistenartige Vorsprünge
trägt und p-leitend ist; der zugehörige Schenkel C', der in den Figuren
, schraffiert dargestellt ist, trägt ebenfalls zwei leistenartige Vorsprünge
und ist ii-leitend.
-
In F i g. 1 ist die #bisher übliche Bauweise einer Serie von
Thermoelementen dargestellt. p-leitende und ri-leitende. Schenkel, beispielsweise
abwechselnd angeordnet, werden durch Brücken b in der in der Figur dargestellten
Weise verbunden, beispielsweise verlötet.
-
In F i g. 2 ist eine einfache Bauweise von Thermoelementreihen
im -Rahmen dieser Erfindung dargestellt. n-leitende und p-leitende Schenkel gleicher
Größe -und gleicher-rorm (was eine Ersparnis an Matrizen ergibt) sind in der in
der Figur dargestellten Weise ohne Zuhilfenahme besonderer Kontaktbrücken verbunden.
hdoch können die Größen und Formen der beiden Schenkeltypen auch verschieden sein.
-
In F i g. 3 sind n-leitende und p-leitende Schenkel mit
je zwei leistenartigön.Vorsprüngen dargestellt. ,-In F i
g. 4 ist ein' Reihe von Thermoelementen gezeigt, die aus C Körpe"r'n'
(zwei Vorsiprünge, p-leitend) und aus A' Körpern (kein Vorsprung, n-leitend)
dargestellt ist.
-
Die F i g. 5 versteht sich nach diesem Schema von selbst.
-
In denFig.6, 7 und 9 sind an den Enden der zwischen
zwei Schenkeln entstehenden Schlitze Erweiterungen angegeben, die beispielsweise
das Einfällen des Isoliermittels erleichtern und den Isolierabstand vergrößern.
Auch sind diese Erweiterungen wichtig, um das Zuwachsen derjenigen Schlitze, die
isoliert bleiben sollen, zu verhindern; außerdem tragen die Schenkel in den F i
g. 6 bis 9 Ausnehmungen zur Aufnahme der entsprechend ausgebildeten
Yorsprünge.
-
In F i g. 8 haben die Schenkel schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen
und schwalbenschwanzförmige Vorsprünge.
-
In F i g. 9 sind Schenkel verschiedenen Querschnittes dargestellt.
-
Fig. 10 zeigt dieUnteransichteinerfertiggestellten Platte,
Fig. 11 die entsprechende Oberseite.
-
An Hand von F i g. 12 wird im folgenden ein Verfahren zur Herstellung
von Thermoelementblöcken (Peltierblöcken) erläutert, wobei F i g. 13 die
Preß- und Stromrichtung für den einzelnen Schenkel zeigt.
-
Stangen thermoelektrischen Materials mit Querschnitten entsprechend
den F i g. 2 bis 9, abwechselnd mit p- und n-Leitung (in der
F i g. 12 mit B und B' bezeichnet), werden mit Hilfe eines Klebemittels 20
zu einem flachen, ebenen Körper verklebt. Von diesem Körper werden durch Schnitte
senkrecht oder angenähert senkrecht zur Längsausdehnung des ebenen Körpers Reihen
von verklebten, hintereinandergeschalteten Thermoelementen bzw. Thermoelementschenkeln
abgetrennt. Mehrere solcher Reihen werden durch ein isolierendes Klebemittel zu
einem Block zusammengeklebt, etwa wie es in den F i g. 10 und 11 dargestellt
ist. Die Kontaktbrücken werden dann noch in der unten näher erläuterten Weise metallisch
verstärkt. Dieses Verfahren ermöglicht es, in sehr arbeitssparender Weise Thermoelementblöcke
herzustellen.
-
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen benachbarten Schenkeln
wird erfindungsgemäß durch Aufdampfen, galvanische Abscheidung, Aufspritzen und/oder
durch Aufkleben von metallischen Folien metallisch verstärkt. Dabei werden auf den
Kontaktflächen (Stimflächen der Schenkel) metallische Schichten gebildet. Nach den
bisherigen Messungen sollen die Schichten aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden
Metall oder einer Metallegierung eine Dicke von 100 bis 500 li aufweisen.
Im Fall einer Verstärkung der Brücken durch Bedampfung wird eine Maske aufgesetzt,
die auf den beiden Kontaktflächen Ausschnitte für die Brücken trägt. Zunächst kann
ein Metall wie Nickel oder Eisen oder, Molybdän in einer Schichtdicke von
1 bis 5 [t aufgedampft werden. Darauf wird ein zweites Metall wie
Kupfer, Silber oder Aluminium in einer Stärke bis zu 500 #t aufgedampft.
Die Bedampfun svorgänge können in .,9 einer Durchlaufapparatur in unmittelbar aufeinanderfolgenden
Schritten durch Bedampfen mittels zweier getrennter Bedampfer erfolgen. Die Platten
werden bei dieser Apparatur ein- und ausgeschleust, so daß ein kontinuierlicher
Betrieb gewährleistet ist. Die Al-Brücken können nachträglich eloxiert werden, wobei
eine elektrisch nichtleitende dünne Oxydsch.icht entsteht, die einen ausgezeichneten
Wärmekontakt bietet.
-
Werden die Brücken galvanisch abgeschieden, so werden die Schenkel,
gemäß F i g. 10 angeordnet, mit einem isolierenden Kunststoff zu einer Platte
vergossen. Die Oberflächenreinigung vor der Abscheidung der galvanischen Schichten
erfolgt durch chemische Reinigung mit Lösungsmitteln, Säuren oder Laugen, elektrochemisch
durch elektrolytische Bäder oder durch mechanische Reinigung (Schmirgeln bevorzugt
auf nassem Kortmdleinen). Um die elektrische Leitung der sich berührenden Schenkel
zu verbessern, kann über die Berührungszonen eine dünne Leitlackschicht aufgetragen
werden. Die galvanische Abscheidung einer Nickelschicht auf dem Halbleiter erfolgt
bevorzugt aus sauren Bädern. Die Nickelschicht verwächst gut mit der rauhen Oberfläche
des Halbleiters und füllt die Oberflächenhohlräume aus. Die Nickelschichtdicke beträgt
zwischen 3 und 5 R. Auf die Nickelschicht wird aus -saurem Kupferbad
eine bis 500 #t starke Kupferschicht abgeschieden. Eine bis 10
mm starke Stromblende um die Platte führt zu einer gleichmäßigen Stromdichteverteilung
und dadurch zu einer gleich starken Schicht.
-
Beim Aufspritzen der Brücken werden meist mehrere verschiedene Metallschichten
verwendet, wobei die erste Schicht aus Mo oder Ni in einer Schichtdicke von etwa
50 li besteht und darauf eine Kupferschicht mit einer Schichtdicke von bis
1 rnm gespritzt wird. Zum Aufspritzen ist ein Spritzpistole geeignet, bei
der das zu spritzende Metall in Pulverform, mit einer Komgröße um 100 R verwendet
wird. Bevorzugt wird eine Spritzpistole, die einen Plasmastrahl erzeugt. Beim Spritzen
der Brücken ist es zweck' mäßig, die Isoliertrennschichten zwischen den Schenkeln
etwa um die Brückendicke über die Schenkeloberfläche hochzuziehen.
-
Der Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln ist mit einem elektrischen
Isolierstoff kleiner
Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt. Diese Stoffe
können z. B. ein organischer Klebstoff oder ein Glas in kompaktem oder porösem Zustand
oder eine Folie aus organischem Material (Papier) oder anorganischem Material (Asbestfolie)
sein. Die Dicke der Isolierstoffschicht kann kleiner als 0,5 mm, vorzugsweise
kleiner als 0,1 -rnm, sein. Zweckmäßigerweise werden die Schenkel über einen
Klebstoff mit. dem Isolierstoff zusammengehalten, wobei der Klebstoff selbst die
Isolierschicht bilden kann. Die Kontaktflächen sind durch eine der angegebenen Maßnahmen
metallisch verstärkt. F i g. 10 zeigt die Unte-ransicht einer thermoelektrischen
Anordnung zur Kühlung, die aus 62 Thermoelementschenkeln (31 p- und
31 n-Schenkel) und zwei Zuführungsstellen besteht. F i g. 11
zeigt
die Ansicht der Platte von oben, in beiden Fällen sind die metallisch verstärkten
Brücken sichtbar. In beiden Ansichten sind je ein p# und n-Schenk#I gestrichelt
eingezeichnet.
-
In den meisten Figuren haben die Proben etwa Würfelform, und beide
Schenkel (p und n) haben den gleichen Querschnitt. Die Querschnitte für die
p- und n-Schenkel können jedoch verschieden sein. Dies ist insbesondere
dann zweckmäßig, wenn die elektrischen Leitfähigkeiten der beiden Schenkelmaterialien
stark voneinander abweichen. In diesem Fall kann die Dimensionierung so festgelegt
werden, daß beide Schenkel gleichen Widerstand haben (Querschnitte verschiedene
Rechtecke oder ein Schenkel quadratisch). Es können jedoch auch andere Querschnittsformen,
wie Parallelogramrne oder Dreiecke, Verwendung finden. Beispiel Aus 31 p-
und 31 n-Schenkeln der Dimension 5 - 5 - 5 mm wird eine
thermoelektrische Kühlplatte zusammengebaut. Das p-Material besteht aus einer Legierung
von 30 Molprozent BiJe, und 70 Molprozent Sb.Te", der 3 Gewichtspr#zent
Te und 0,075 Gewichtsprozent Pb als Dotierung zugesetzt sind. Die n-Legierung
besteht aus 80 Molprozent BiJe3, 20 Molprozent Bi.Se" und einer Dotierung
von 0,075 Gewichtsprozent CuBr. Beide Legierungen werden aus den Komponenten
der Reinheit 99,99,1/o durch Zusammenschmelzen in einem evakuierten abgeschmolzenen
Quarzrohr hergestellt.
-
Nach dem Zerkleinern und Absieben der Korngrößen der p-Legierung kleiner
-als 0,5 mm, der n-Legierung zwischen 0,06 und 0,5
mm werden die Pulver in einer Stahlmatrize mit 4 t/cm2 verpreßt, so daß der
Vorsprung des Schenkels in der Preßfläche liegt (F i g. 13). Nach dem
Zusammen au der Schenkel zu einer Kühlplatte erfolgt die Stromrichtung
a
senkrecht zur Preßrichtung P. Die Preßhöhe beträgt 5 mm. Die Preßkörper
aus dem p-Material werden 5 Stunden lang, die aus dem n-Material 2 Stunden
lang bei 3800 C in reinem Wasserstoff gesintert. Die Eigenschaftswerte der
Schenkel werden bestimmt zu: (n-Schenkel) oc= - 160 #X/Grad,-
a= 1050 Q-Icm-'; (p-Schenkel) ot=+180[tV/Grad, Y=11009-Icm-l.
-
Die Schenkel werden so in eine Form gelegt, daß jeweils ein
p- und ein n-leitender Schenkel aufeinanderfolgen und durch Brücken alle
Schenkel in Serie geschaltet sind. Danach werden die Zwischenräume zwischen den
Schenkeln mit Epoxydharz ausgegossen und das Epoxydharz bei 180' C während
2 Stunden gehärtet. Für das Zusammenkl en der Schenkel kann auch ein porenbildender,
härtbarer Kunststoff kleinerWärmeleitfähigkeit verwendet werden. Nach dem Härten
des Kunststoffes kann die Platte der Form entnommen werden. Die beiden Außenflächen
können, falls erforderlich, noch abgeschliffen werden. Infolge der hohen Genauigkeit
der Sinterkörper ist dies im allgemeinen nicht erforderlich. Danach werden die Oberflächen
gereinigt und 3 bis 5 #t starke Nickelschichten an den Schenkeloberflächen
und an den Brückenstellen galvanisch abgeschieden. Auf die Nickelschicht wird galvanisch
eine 200 li starke Kupferschicht abgeschieden. Der Gesamtwiderstand des Kühlsystems
beträgt 110 mOhm, das entspricht einem Wert von 3,54 mOhm für ein Thermoelement,
wobei das Element aus einem -p- und einem n-Schenkel sowie vier Kontaktflächen
einschließlich der den p- und n-Schenkel verbindenden Brücke besteht. Demgegenüber
wird bei einem System mit verwismuteten Schenkeln und angelöteten 1,5
mm starken Kupferbrücken ein Wert von 3,9 mOhm pro Thermoelement gemessen.
-
Ein Kühlversuch ergibt bei 16 A eine Temperaturdifferenz von
50' C, wobei die warme Seite eine Temperatur von 401 C hat. Damit
wird der Wert der Temperaturdifferenz für die bisher nach anderen aufwendigeren
Verfahren hergestellten Kühlblöcke überschritten.
-
Das thermoelektrische Gerät kann als Kühlplatte verwendet werden,
indem an die Stromzuführungen eine Gleichspannung angelegt wird. Durch einen Temperaturfühler
und an sich bekannte Schaltungen kann durch Stroraumpolung eine durch das Regelglied
einzustellende Temperatur gehalten werden. In diesem Fall wird das thermoelektrische
Gerät als Thermostat verwendet. Wirken auf die beiden Kontaktflächen verschiedene
Temperaturen ein, so entsteht an den Anschlußklemmen eine thermoelektrische Spannung,
und beim Anschließen eines Verbrauchers fließt über den Verbraucher ein thermoelektrischer
Strom. In diesem Fall ist das thermoelektrische Gerät als Stromerzeuger (Energieumformer)
eingesetzt.