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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung mit p- und
n-leitenden Thermoelementschenkeln, die alternierend nebeneinander angeordnet und
mit Kontaktbrücken so elektrisch leitend verbunden sind, daß alle Thermoelementschenkel
elektrisch in Reihe und thermisch parallel liegen, bei der zwischen benachbarten
Thermoelementschenkeln und benachbarten Kontaktbrücken je eine elektrisch isolierende
Materialschicht vorgesehen ist, wobei die Kontaktbrücken durch das zwischen ihnen
angeordnete isolierende Material miteinander verklebt sind, und bei der die Kontaktbrücken
mit Kühlfahnen versehen sind.
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Bei thermoelektrischen Anordnungen besteht das Problem, die über Kontaktbrücken
elektrisch leitend verbundenen Thermoelementschenkel mechanisch fest und wärmeisolierend
miteinander zu verbinden, um die Bruchgefahr für die aus sprödem und bruchempfindlichem
Halbleitermaterial hergestellten Thermoelementschenkel zu vermindern.
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Bekannt ist es, beispielsweise aus der britischen Patentschrift 798
882, die Kontaktbrücken der warmen und der kalten Seite der thermoelektrischen Anordnung
mit einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Materialschicht fest zu
verbinden und die Kontaktbrücken und die Thermoelementschenkel mittels eines isolierenden
Klebharzes miteinander zu verkleben. Auf die elektrisch isolierende und thermisch
leitende Schicht ist je ein Wärmeaustauscher aufgesetzt, über den die benötigte
thermische Energie den Thermoelementschenkeln zugeleitet oder von ihnen abgeführt
wird. Dabei besteht der Nachteil, daß im Wärmestromweg von der warmen zur kalten
Seite der thermoelektrischen Anordnung mit den elektrisch isolierenden und thermisch
leitenden Materialschichten ein Wärmewiderstand eingefügt ist, der die Temperaturdifferenz
zwischen den warmen und kalten Lötstellen der thermoelektrischen Anordnung, die
durch die Kontaktbrükken repräsentiert sind, herabsetzt und damit den Wirkungsgrad
der Anordnung erheblich vermindert. Der Wirkungsgrad wird außerdem noch durch die
Klebharzschicht verkleinert, da es kaum Klebemittel gibt, die eine gute Klebfähigkeit
und zugleich ein großes Wärmeisoliervermögen aufweisen und daher-einWärmestrom ,
zwischen den Thermoelementschenkeln existiert.
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Ebenfalls aus der britischen Patentschrift 798 882 ist es auch bekannt,
die Thermoelementschenkel mit Kontaktstücken zu verlöten, die mit Kühlfahnen versehen
sind. Dabei ist zwischen benachbarten Thermoelementschenkeln und den zugehörigen
Kontaktstücken eine elektrisch isolierende, nichtklebende Materialschicht, beispielsweise
eine Lackschicht, vorgesehen. Die Kontaktstücke sind isoliert miteinander verschraubt
und über die Kühlfahnen elektrisch leitend miteinander verbunden. Es ist bei dieser
Anordnung zwar der Nachteil vermieden, daß die Thermoelementschenkel nur über die
relativ kleinen Anklebeflächen ihrer Seitenflächen miteinander verbunden sind und
daher leicht voneinander abbrechen können. Um aber die Kontaktstücke miteinander
verschrauben zu können, ist in den Kontaktstücken ein massives Metallstück vorzusehen,
das wieder als Wärmewiderstand im Wärmestromweg zwischen jeder kalten bzw. warmen
Lötstelle der Anordnung und der Wärmeaustauschfläche der zugehörigen Kühlfahnen
liegt. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung ist also ebenfalls nicht optimal. Es besteht
die Aufgabe, bei einer thermoelektrischen Anordnung der eingangs genannten Art den
Wirkungsgrad zu optimieren unter Beibehaltung der mechanisch stabilen Befestigung
und der Wärmeisolation der Thermoelementschenkel.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Kühlfahnen
benachbarter Kontaktbrücken aneinandergrenzen und miteinander verklebt sind und
daß die isolierende Materialschicht zwischen den Thermoelementschenkeln einer Stoffgruppe
angehört, die hinsichtlich ihrer thermischen Isolationseigenschaften, z. B. durch
Glasseide, Teflon, Polystyrol und Polyurethanschaum charakterisiert ist.
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Da die Kontaktbrücken der erfindungsgemäßen Anordnung an den aneinandergrenzenden
Flächen ihrer Kühlfähnen verklebt sind, erhält man ausreichend große Klebeflächen,
um eine hohe mechanische Stabilität zu garantieren. Die Dicke des Teils der Kontaktbrücken,
der mit Thermoelementschenkeln verlötet ist, kann daher so gewählt werden, daß ein
möglichst geringer Wärmestromwiderstand im Wärmestromweg zu den warmen bzw. kalten
Lötstellen gewährleistet ist. Dabei ist als untere Grenze für die Dicke dieses Teiles
zu berücksichtigen, daß der elektrische Widerstand der Kontaktbrücke durch den Kontaktbrückenquerschnitt
noch nicht merklich beeinflußt sein darf. Außerdem ist durch die nicht klebende
Materialschicht zwischen den Thermoelementschenkeln eine gute Wärmeisolation gegeben,
die .einen Wärmestrom zwischen benachbarten Thermoelementschenkeln ausschließt.
Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt daher - bei entsprechender Schenkelgeometrie
- einen optimalen Wirkungsgrad.
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Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft an Hand der F i g.1 und
2 näher beschrieben.
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F i g.1 stellt einen Schnitt durch eine thermoelektrische Anordnung
dar. p- oder n-leitende Thermoelementschenkel, die beispielsweise aus verschieden
dotiertem Wismuttellurid hergestellt sein können, liegen abwechselnd nebeneinander.
Die Thermoelementschenkel sind durch eine gut wärmeisolierende Materialschicht 3
getrennt. Das Material dieser Schicht 3 kann Glasseide, Polystyrol, Teflon, Polyurethanschaum
und ähnliches sein. Jeder Thermoelementschenkel ist an jeder seiner Stirnflächen
über eine Lotschicht 2 mit einer Kontaktbrücke 1 und über diese mit einem benachbarten
Thermoelementschenkel entgegengesetzter Leitfähigkeit verbunden. Das Material der
Kontaktbrücken kann Kupfer sein. Die Kontaktbrücken 1 sind durch isolierendes Klebharz
4, beispielsweise durch Epoxydharz, miteinander verklebt.
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Der F i g. 2, die eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
thermoelektrischen Anordnung darstellt, ist die besondere Ausbildung der Kontaktbrücken
1 als Wärmeaustauscher zu entnehmen. Die Kontaktbrücken 1 sind mit Kühlfahnen versehen.
Die Kühlfahnen benachbarter Kontaktbrücken 1 grenzen mit ihren Seitenflächen und
Stirnflächen aneinander und sind an diesen Flächen über Klebharzschichten 4 miteinander
verklebt. Man erhält daher ausreichend große Anklebeflächen und damit eine ausreichende
mechanische Festigkeit, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die Dicke des Teiles der
Kontaktbrücken 1, an dem die Kontaktbrücken 1 und die Thermoelementschenkel miteinander
verlötet sind, frei gewählt werden kann.
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Abschließend ist noch zu betonen, daß wegen der
mit
den Kühlfahnen geschaffenen großen Anklebefiächen, die Geometrie, insbesondere die
Schenkellänge der Thermoelementschenkel ohne Rücksicht auf die Anklebeflächen allein
hinsichtlich ihrer thermoelektrischen Funktion bemessen werden kann. Es ist daher
möglich, Schenkelmaterial einzusparen.