DE1277398B - Thermoelement mit Halbleiterschenkeln - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIv

Deutsche Kl.: 21b-27/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 77 398.7-33 (S 76529)

2. November 1961

12. September 1968

Die Erfindung betrifft ein Thermoelement zur Verwendung für thermoelektrische Kühlung bzw. Heizung, dessen aus Halbleiterkörpern bestehende thermoelektrische Schenkel in der Mitte der in der Richtung des Stromflusses sich erstreckenden Länge mindestens eine sich über ihre Breite erstreckende, quer zur Längsrichtung verlaufende Ausnehmung besitzen, um dort den Querschnitt zu verringern.

Es ist bekannt (A. F. Joffe, Halbleiter-Thermoelemente, 1957) Thermoelemente zur thermoelektrischen Kühlung bzw. Heizung zu verwenden, wobei der Peltier-Effekt ausgenutzt wird. Als Peltier-Effekt bezeichnet man die Erzeugung oder den Verbrauch von Wärme an den Grenzflächen zweier Leiter, durch die ein elektrischer Strom fließt. Bei Thermoelementen zum thermoelektrischen Kühlen oder Heizen wird die günstigste elektrische Stromstärke, die dazu notwendig ist, durch folgende Formeln ermittelt:

Iopt —

otT
R

<xT

In dieser Formel bedeutet α die Thermokraft, T die Temperatur der kalten Lötstelle des Thermoelementes, R den elektrischen Widerstand des Thermoelementes, ρ den spezifischen Widerstand des Thermoelementes, I die Länge der thermoelektrischen Schenkel und S deren Querschnitt. Aus der Formel ist ersichtlich, daß beispielsweise für eine thrmoelekirische Kühlung die günstigste dafür notwendige elektrische Stromstärke I_opt von dem Verhältnis Länge I zu Querschnitt 5 der thermoelektrischen Schenkel des Thermoelementes abhängt, wenn bestimmte Werte, wie die Thermokraft <x, die elektrische Leitfähigkeit und die thermische Leitfähigkeit, die von der Wahl der Leiter abhängen, vorgegeben sind. Bei sehr kleinen Thermoelementen mit thermoelektrischen Schenkeln aus Halbleiterkörpern hat man nun aber an den Verbindungsstellen zwischen den Halbleiterkörperenden hohe Übergangswiderstände gemessen, die hohe Stromverluste in Form von Joulescher Wärme W (W = I²R) zur Folge hatten. Bei der Verwendung eines Thermoelementes zur thermoelektrischen Kühlung führt die Joulesche Wärme W an der kalten Lötstelle zu einer geringeren Wärmeaufnahme an dieser Stelle und dadurch zur Verminderung der beabsichtigten Kühlung. Vergleicht man den Wirkungsgrad von gleichen Thermoelementen mit gleich langen thermoelektrischen Schenkeln aus Halbleiterkörpern, so ergibt sich, daß der Wirkungsgrad von dem Querschnitt der Enden der miteinander verbundenen Thermoelement mit Halbleiterschenkeln

Anmelder:

Sanyo Electric Co., Ltd., Osaka (Japan)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

2000 Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:

Masaru Yamano, Hirakata, Osaka;

Eiichi Komatsu, Goganzuka (Japan)

Beanspruchte Priorität:
Japan vom 5. November 1960 (44 649),
vom 26. Dezember 1960 (51221)

Halbleiterkörper abhängt. Mit wachsendem Querschnitt verringert sich der Übergangswiderstand und erhöht sich der Wirkungsgrad des Thermoelementes. Um nun die erwünschten Übergangswiderstände zu verringern, ist es bekannt, (deutsche Auslegeschrift 1026 339), die Halbleiterkörper doppel-T-förmig auszubilden und ihre zu verbindenden Enden mindestens auf das IVafache desjenigen Querschnittes zu vergrößern, den sie an ihrem sich über den größten Teil ihrer Länge erstreckenden Mittelabschnitt haben. Die doppel-T-förmigen Halbleiterkörper sind aber schwierig herzustellen, und außerdem treten trotz der Vergrößerung des Querschnittes der Halbleiterenden im Verhältnis zur Querschnittsfläche in der Mitte der Halbleiter immer noch erhebliche Ubergangswiderstände auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Halbleiterkörperenden einen möglichst großen Querschnitt und dem sich zwischen diesen Enden befindlichen Mittelstück des Halbleiterkörpers einen möglichst kleinen Querschnitt zu geben, wobei die Herstellung vereinfacht ist und die Festigkeit des Thermoelementes nicht beeinträchtigt ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Thermoelement der eingangs geschilderten Art, bei der die Schenkel mindestens eine Ausnehmung aufweisen, dadurch gelöst, daß jede Ausnehmung als durchgehendes Loch ausgebildet und derart bemessen ist, daß das Vehältnis jeder der beiden gleich großen, senkrecht zur Stromflußrichtung liegenden Querschnittsflächen an den Verbindungsenden jedes Halbleiterkörpers zur ent-

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sprechenden Querschnittsfläche in der Mitte des Körpers 2:1 bis zu 15 :1 beträgt. Bei der Verwendung solcher Halbleiterkörper für Thermoelemente ergibt sich nun der Vorteil, daß sich die Übergangswiderstände zwischen den verbundenen Halbleiterkörperenden wesentlich verringern, weil im Verhältnis zum Querschnitt der Halbleiterkörper deren Anschlußenden 2- bis 15mal größeren Querschnitt aufweisen. Da der wirksame Querschnitt eines Halbleiterkörpers

gegenüberliegenden Enden einen Hohlraum bzw. Hohlräume darstellen. Die Form und die Anzahl der Löcher kann willkürlich gewählt werden.

Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen beispielsweise einen erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper 21 kann aus einer intermetallischen Verbindung mit den gleichen thermoelektrischen Eigenschaften hergestellt werden, die mit Bezug auf den in den Fig. la, Ib und Ic ge-

durch die Löcher bestimmt ist, wird das Verfahren io zeigten Halbleiterkörper 11 beschrieben wurden. Diezur Herstellung dieser Halbleiterkörper sehr verein- ser weist im wesentlichen die Form eines quader-

förmigen Blockes mit seitlichen Löchern 24 und 25 von quadratischem Querschnitt auf. Die Verbindungsfläche an jedem Ende 22 und 23 des HaIbleiterkörpers 21 beträgt 0,78 cm² (= 0,6 · 1,3 cm²), ist also gleich derjenigen des Halbleiterkörpers 11, so daß der Übergangswiderstand jeder Verbindung der gleiche sein kann wie vorher, und demgemäß auch die Menge der von ihr aufzunehmenden oder

Fig. 2a eine Vorderansicht eines gemäß der Er- 20 zu entwickelnden Wärme die gleiche sein kann wie findung ausgebildeten Halbleiterkörpers, vorher.

Es ist festgestellt worden, daß unter solchen besonderen Bedingungen die optimale Stärke des auf das Element zu übertragenden Stromes im wesent-25 liehen die gleiche ist wie vorher; dieses gilt sowohl für einen Schenkel vom P-Typ als auch für einen solchen vom N-Typ, wenn die Länge des Halbleiterkörpers 21 0,4 cm beträgt, die Hälfte der Länge des Halbleiterkörpers 11, und die Abmessungen jedes in den F i g. 1 a, Ib und 1 c die Form eines recht- 30 Loches 24, 25 0,3 · 0,25 · 0,6 cm³ betragen. In dieeckigen festen Blockes hat, ist von üblicher Bauart. sem Fall ist die wirksame Querschnittsfläche des Es sei beispielsweise angenommen, daß der Halb- Halbleiterkörpers 21 etwa halb so groß wie die des leiterkörper 11 aus einer intermetallischen Mischung üblichen Halbleiterkörpers 11, so daß das Verhältnis aus Bi—Te—Sb oder Bi—Te—Se mit den Dirnen- der wirksamen Querschnittsfläche zur Länge im wesionen 0,6 · 1,3 · 0,8 cm³ = 0,624 cm³ hergestellt ist 35 sentlichen das gleiche ist wie zuvor. Der in dieser

facht.

Die Erfindung wird an Hand der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. la eine Vorderansicht eines bekannten Halbleiterkörpers,

Fig. 1 b eine Seitenansicht der Fig. la,

F i g. 1 c eine Draufsicht auf die Fig. la,

F i g. 2 b eine Seitenansicht der F i g. 2 a,
F i g. 2 c eine Draufsicht auf die F i g. 2 a,
F i g. 3 eine schaubildliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung;

F i g. 4 ist ein Schnitt und zeigt eine Reihe von Halbleiterkörpern nach der F i g. 4, die durch elektrische Leiter miteinander verbunden sind.
Der Halbleiterkörper, der gemäß der Darstellung

und die folgenden thermoelektrischen Eigenschaften aufweist:

α(μν/°Ο

200

200

1000

900

«(Watt/cm-⁰C)

1,4 ■ ΙΟ"²
1,3 · 10-2

Weise gemäß der Erfindung ausgebildete Halbleiterkörper hat hinsichtlich seines festen Teiles ein bedeutend kleineres Volumen als das in den F i g. 1 a, Ib und Ic gezeigte Beispiel einer üblichen Ausführungsform, d. h., bei dem Halbleiterkörper 21 ist das Volumen des festen Teiles gleich dem gesamten Volumen des Quaders abzüglich dem der hohlen Teile:

0,6 · 1,3 · 0,4 cm³ - 2 · 0,3 · 0,25 · 0,6 cm³ = 0,222 cm³,

P-Type

(Bi-Te—Sb)
N-Type

(Bi-Te—Se)

45 während das feste Volumen des Halbleiterkörpers U wobei α die thermische elektromotorische Kraft, σ die der Fig. la, Ib, Ic 0,624 cm³ beträgt. Somit kann elektrische Leitfähigkeit und κ die thermische Leit- eine bemerkenswerte Verminderung in den Materiafähigkeit ist. Die Querschnittsfläche des Halb- lien erreicht werden, ohne daß die Leistung eines aus leiterkörpers 11 beträgt gleichmäßig 0,78 cm² diesen Halbleiterkörpern hergestellten Thermo-(=0,6 · 1,3 cm²) über seine gesamte Länge. Die 50 elementes sinkt. An die Stelle der in den Fig. 2a, Verbindungsfläche an jedem Ende 12, 13 des Halb- 2 b und 2 gezeigten Löcher 24, 25 kann ein einziges leiterkörpers beträgt demgemäß auch 0,78 cm². So- großes Loch mit doppelter Querschnittsfläche treten, weit Messungen durchgeführt sind, beträgt der Über- wobei dasselbe Ergebnis erreicht wird,
gangswiderstand an jeder Verbindung, die an ihren Der in der F i g. 3 gezeigte Halbleiterkörper 41 eigenen Leitern angelötet ist, 1 · 10~⁵ Ω/cm². Bei den 55 gleicht im wesentlichen dem in den Fig. 2a, 2b und besonderen erwähnten Bedingungen sind 35 A der 2 c gezeigten Halbleiterkörper 21, abgesehen von den günstigste Wert des auf den Halbleiterkörper 11 zu folgenden Punkten: Die Hohlräume 44 und 45 haben übertragenden elektrischen Stromes. kreisförmigen Querschnitt und sind mit Verstär-Die Halbleiterkörper gemäß der Erfindung sind so kungsmaterial 46 ausgefüllt, außerdem sind alle Seigeformt, daß die wirksame Querschnittsfläche kleiner 60 tenflächen des viereckigen Halbleiterkörpers 41 von ist als jede Verbindungsfläche an den entgegen- einer Hülle 47 bedeckt. Es ist einleuchtend, daß die gesetzten Enden der Halbleiterkörper, wodurch die Herstellung kreisförmiger Löcher 44 und 45 leichter Masse der zur Herstellung eines Thermoelementes ist als die quadratischer Löcher, wie z. B. 24 und 25. erforderlichen Materialien ohne Leistungsverminde- Löcher, Hohlräume und etwaige andere hohle Teile, rung des Thermoelementes erheblich verringert wer- 65 die gemäß der Erfindung gebildet sind, werden vor-

den kann. Für diesen Zweck sind die Halbleiterkörper mit durchgehenden Löchern versehen, die an allen Stellen außer an den Verbindungen an ihren

zugsweise mit einem Verstärkungsmaterial ausgefüllt, um die durchlöcherten oder hohlen Halbleiterkörper zu verstärken und zu stützen. Die Verstärkung kann

aus einem thermoplastischen synthetischen Harz, Z. B. einem Epoxydharz, Silikonharz oder Phenolharz bestehen und eine verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit haben, und dient auch dazu, eine thermische Konvektion zu verhindern, die innerhalb des hohlen Abschnittes beispielsweise die Kühlwirkung der Lötstelle vermindern würde. Außerdem sollte der Halbleiterkörper 41 mit einer Hülle 47 bedeckt werden, wie es in der F i g. 4 gezeigt ist, um einen Schutz mit zusätzlicher Verstärkungswirkung vorzusehen. Die Hülle 47 kann aus demselben Material hergestellt sein wie die Verstärkung 46.

Bei den Thermoelementen nach der Erfindung

kann das Verhältnis jeder der beiden gleich großen Querschnittsflächen an den Verbindungsenden jedes Halbleiterkörpers zur Querschnittsfläche in der Mitte des Körpers willkürlich gewählt werden, wird jedoch in der Praxis im Hinblick auf die mechanische Festigkeit der Thermoelemente auf einen bestimmten Bereich begrenzt sein. Dieser hängt von verschie- so denen Bedingungen ab, wie beispielsweise vom ver-

' wendeten Verstärkungsmaterial oder der Verbindung I der Halbleiterkörper. Es wurde durch Versuche festjgestellt, daß das Verhältnis jeder der beiden gleich

!großen Querschnittsflächen an den Verbindungs- »5

"enden jedes Halbleiterkörpers zur Querschnittsfläche

J in der Mitte des Körpers bis zu 15 :1 betragen kann.

Zwei der erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterkörper, einer vom P-Typ und einer vom N-Typ, werden zu jeweils einem Thermoelement durch einen Leiter miteinander verbunden. Viele Halbleiterkörper werden z. B. mit Leitern in Form von Metallplatten 50 in Reihe geschaltet, wie es in der F i g. 4 gezeigt ist. Diese Halbleiterkörper können selbstverständlich auch parallel geschaltet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Thermoelement zur Verwendung für thermoelektrische Kühlung bzw. Heizung, dessen aus Halbleiterkörpern bestehende thermoelektrische Schenkel in der Mitte der in der Richtung des Stromflusses sich erstreckenden Länge mindestens eine sich über ihre Breite erstreckende, quer zur Längsrichtung verlaufende Ausnehmung besitzen, um dort den Querschnitt zu verringern, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausnehmung als durchgehendes Loch (24, 25 bzw. 44, 45) ausgebildet und derart bemessen ist, daß das Verhältnis jeder der beiden gleich großen, senkrecht zur Stromflußrichtung liegenden Querschnittsflächen an den Verbindungsenden jedes Halbleiterkörpers zur entsprechenden Querschnittsfläche in der Mitte des Körpers 2:1 bis zu 15 :1 beträgt.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen des Halbleiterkörpers jeweils aus einer kreiszylindrischen Bohrung (44 bzw. 45) bestehen.

3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (24, 25 bzw. 44, 45) mit Verstärkungsmaterial ausgefüllt sind.

4. Thermoelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial aus einem thermoplastischen synthetischen Harz mit relativ niedrigem Wärmeleitvermögen besteht.

5. Thermoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine äußeren Längsflächen von einer aus einem thermoplastischen synthetischen Harz mit relativ niedrigem Wärmeleitvermögen bestehenden Hülle (47) umgeben sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 026 339;
A. F. Joffe, »Halbleiter-Thermoelemente«,
1957, S. 58/59.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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