DE1539286A1 - Thermoelektrische Anordnung - Google Patents

Description

Thore Martin E 1 f ν i η g , San Mateo, Californien (USA)

"Thermoelekt r i3ehe Anordnung"

Die Erfindung betrifft thermoelektrische Anordnungen zum Gebrauch in therraoelektrischen Wärmepumpen vom Luft-zu-Luft-Typ oder vom Flüssigkeit-zu-Luft-Typ, die relativ einfach aufgebaut, •wirksam und zuverlässig sind« Wärmepumpen mit den erfindungsgemässen Anordnungen können beispielsweise in Klimaanlagen und Kühlapparaten verwendet werden.

Die erfindungsgemässe thermoelektrische Anordnung weist im wesentlichen eine Serienverbindung von Elementenreihen auf, von denen jede Reihe einen Halbleiterkörper besitzt, dessen eine Oberfläche in wärmeleitendem und elektrischem Kontakt mit einem Metallglied steht undiWobei am Ende jeder Reihe ein

Metallglied angeordnet ist und Mittel zum unabhängigen Zusammendrücken jeder Reihe läng· ihrer Länge vorgesehen sind, so dass die an den MetallgHedern der Reihe anliegenden Oberflächen der Halbleiterkörper unter Druck gehalten sind.

Eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemässen. thermoelektrischen Anordnung besitzt eine Serienschaltung

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einer Vielzahl von Elementenreihen, die je einen Halbleiter·* körper besitzen und an jedem Ende an einem Metallglied unter elektrischer Leitfähigkeit und "Wärmeleitfähigkeit anliegen, Wobei jeder Körper zwei Oberflächen aufweist, deren erstere beim Durchgang eines elektrischen Stromes sich erwärmt und deren zweite sich abkühlt, und wobei Mittel zum Zusammendrücken jeder Reihe unabhängig voneinander längs ihrer Länge vorgesehen .sind, so dass die Oberflächen der Körper unter Druck gehalten sind.

Gemäss einer weiteren Abwandlungsform der Erfindung weist die thermoelektrische Anordnung eine Vielzahl von Verbindungsbrücken sowie Paare von Halbleiterkörpern aus Material unterschiedlicher Art mit ähnlichen Verbindungsenden in elektrischem und Hiärmekontakt mit den Enden der Verbindungsbrücken auf, um eine oder mehrere Reihen von in Serie geschalteten thermoelektrischen Anordnungen zu bilden, wobei Mittel zur axialen Druckbeaufschlagung jeder Reihe unabhängig von der anderen vorgesehen sind*· Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die thermoelektrisohe Anordnung wenigstens einen p-Typ-Halbleiterkörper und wenig* stens einen n-Typ-Halbleiterkörper auf, deren jeder mit im wesentlichen parallel einander gegenüfeerliigendea ÖberflÄcHeß an ein Metallglied angeschlossen ist zwecks Bildung einer ; ν oder mehrerer Reihen, deren Längsachse im wesentlichen senkrecht zu den genannten Oberflächen verlaufen? wobei Mittel

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zu** 'Druckbeäufsclilagüng' der endständigen ketallglieder je^:der'Reihe "in der Längsrichtung der Reihe vorgesehen sind.

Einejweitere Ausführungsform der erfindungsgemässen thermoelektrischen Anordnung weist eine Reihe von Elementen auf, in welchen Jietallglieder mit einer oder mehreren Lagen abwechseln, die je einen Halbleiterkörper oder mehrere Halbleiterkörper enthalten, wobei metallene Endglieder vorgesehen sind. Dabei sind die Halbleiterkörper in jeder Lage vom selben Typ. Der Strom tritt dabei durch einen oder mehrere Halbleiter körper hindurch und zwar von einer Kontaktfläche zwischen Halbleiterlage und I-ietallglied senkrecht zur gegenüberliegenden Kontaktfläche zwischen.Halbleiterlage und Metallglied. Wenn die betreffende Reihe dabei mehr als eine Halbleiterlage aufweist, sind die aufeinanderfolgenden Lagen von entgegengesetztem Typ. Die metallenen Endglieder wirken mechanisch und elektrisch als ein einzelner Körper und"es sind Mittel zur Druckbeaufschlagung der Endglieder in der Itfeise vorgesehen, dass die Druckrichtung durch die Halbleiterlagen parallel zum Strompfad verläuft, wobei der an den metallenen Endgliedern angewendete Druck unabhängig von jedem Druckmittel ist, welches ein elektrisch mit der Reihe verbundenes metallenes oder halbleitendes Element beaufschlagt, weiches jenseits der Endglieder der Reihe liegt. Die Lagen der Reihe sind dabei durch Löten den Strom

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und die Wärme gut leitend verbunden. Nötigenfalls sind Diffusionsbarrieren vorgesehen.

Eine weitere-abgewandelte thermoelektrische Anordnung weist Paare von Halbleiterkörpern vom Ungleich-Üngleich-Typ auf, wobei gleichartige Enden heisse und kalte Verbindungsbrücken' berühren, um eine gerade Reihe von fhermopaaren in Serie zu bilden. Dabei ist wenigstens eine Verbindungsbrücke von einem Rohrabschnitt gebildet, wobei metallene Scheibenelemente in Kontakt mit den Enden der Rohrabschnitte stehen und mit den Halbleiterkörpern verbunden sind und Sicken bzw. Kühlrippen sich von den Rohrabschnitten nach auswärts erstrecken zum Wärmeaustausch mit Luft. -

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben:

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine zwischen Flüssigkeit und Gas (Luft) arbeitende "Wärmepumpe mit einer vorgespannten Thermoelementanordnung.

Fig. 2 ist eine Ansicht, teilweise geschnitten in Richtung der Pfeile 2-2 in Fig.l,

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Teil einer zwischen Flüssigkeit und Gas arbeitenden Wärmepumpe mit einer anderen Art von vorgespannten Thermoelementen,

Fig. 4 ist eine Ansicht in Richtung der Pfeile 4-4 in Fig.3,

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Fig. 5 ist eine Draufsicht, teilweise geschnitten, auf eine zwischen Gas und Gas arbeitende Wärmepumpe mit einer weiteren Thermoelement-Anordnung.

Fig. 6 ist ein Querschnitt längs der Linie 6-6 in Fig.5, Fig. 7 ist ein Längsschnitt durclJeinen Teil einer Luft-zu-Luft-Wärmepumpe mit einer weiter abgewandelten Form einer Thermoelement-Anordnung,

Fig. 8 ist ein Querschnitt längs der Linie 8-8 in Fig.7, Fig, 9 ist ein Längsschnitt durch eine andere Verkörperung ■ einer vorgespannten Thermoelement-Anordnung mit ringförmigen Halbleiterkörpern,

Fig.lO ist ein Querschnitt längs der Linie 10-10 in Fig.9, Fig.11 ist ein Längsschnitt durch eine andere Luft-zu-Luft-Ifärmepumpe mit einer anderen Anordnung vorgespannter Thermoelemente,.
Fig. 12 ist eine weitere Luft-zu-Luft-Wärmepumpe mit wiederum

einer anderen Anordnung von Thermeelementen, Fig.13 ist ein Querschnitt längs■der Linie 13-13 in Fig.12, Fig,14 ist ein Querschnitt durch eine zwischen zwei Flüssigkeiten arbeitende Wärmepumpe mit einer Thermoelement-Anordnung, Fig.l5, ist eine Ansicht in Richtung der Pfeile 15-15 in

Fig.l/fc, d-ie ■ .

Fig.16 und 17 sind Schnitte durch eine zwischen Luft und Luft arbeitende Wärmepumpe mit vormontierten Thermoelementen, die '

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Fig. 18 und 19 zeigen im Schnitt eine Luft-zu-Luft-Wärmepumpe

mit ringförmigen Halbleiterkörpern, die ;

Fig. 20 und 21 zeigen tragbare Klimatieierungs- bzw. Kühl*.

apparate mit einer Thermoelement-Anordnung, die Fig. 22 und 23 sind Schnitte durch eine Flüssigkeit-zu-Lu£t~

Wärmepumpe und die ·
Fig. 24 und 25 sind Schnitte durch eine weitere Flüssigkeitzu-Luf t-lliärmepumpe.

Die Fig. 1 und2 zeigen ein Paar Halbleiterblöcke/11 und 12 ■ vom n- bzw. p-leitenden Typ, die mit einem Ende, beispielsweise dem kalten Verbindungsende, an die flache Seite von Kupferelementen oder Kupferstreifen 13 angelötet sind. Die anderen Seiten der Kupferelemente 13 sind mit einer ausgerundeten Rille zur Aufnahme der zylindrischen .Oberfläche eines Rohrabschnittes 14 versehen. Die Elemente 13 können durch Lötung mit den entgegengesetzten Enden des Rohres verbunden sein. Der Rohrabschnitt 14 kann aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Bei Aluminiumrohren wird vorzugsweise eine Kupferhülse zur Erleichterung des Lötens vorgesehen. Die Rohrabschnitte 14 bilden zusammen mit den Streifen 13 eine Verbindungsbrücke zwischen den gleichartigen (kalten) Verbindungsenden der Halbleiterkörper, Die Rohrabschnitte können mit nichtleitenden Bauteilen mit ähnlichen Abschnitten verbunden sein, um eine Leitung für den Durchfluss einer mit der Thermoelement-Anordnung zu kühlenden Flüssigkeit zu bilden. Die Halbleiterblöcke 11,12 sind mit ihren anderen,

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den heissen Verbindungsenden an je eine nach innen vorstehende

Oberfläche I5 einer Kupferscheibe bzw.-Platte 16 angelötet. Die andere Seite der Scheibe 16 kann an eine innere Kupfer»

auskleidung 17 eines bimetaiiisehen , mit Kühlrippen versehenen Rohrabschnittes 18 angelötet sein. Bas äussere Rippenrohr 19 besteht vorzugsweise aus Aluminium. Die Kupferscheiben 16 bilden zusammen mit den Kühlrohrabschnitten 18 die heissen Verbindungsbrücken der -Thermo-Slementanordnung, welche in bekannterWeise Thermoelemente aufweist, deren jedes einen Teil von zwei Reihen von Elememten bildet, die in Serie längs der Achse des'Kühlrippenrohres 18 und quer zum Flüssigkeitsrohr 14. miteinander verbunden sind. Der Wärmepumpe kann über die Leitungen 20,21 Strom zugeführt werden, um als luftg.ekühlter Flüssigkeitskühler zu dienen, der die Wärme mittels Aluminiimkühlrippenrohre an dieJLuft abgibt.

Die Halbleiterkörper 11 und 12 bilden zusammen mit den Kupferstreifen 13 und den Rohrabschnitt en I4 sowie den Kupfer·» scheiben 16 eine vollständige Thermoelementanordnung, die gemäss der Erfindung fertig gelötet, vorgespannt und sogar fertig ispliert als Einheit „in eine Wärmepumpe eingebaut werden kann. In gleicher Weise bildet jeder Halbleiterkörper zusammen mit einer der Kupferelemente 13 und einer der Kupferscheiben 16 ein thermoelektrisches, aus einer Reihe von Elementen bestehendes Unterbauteil, welches als Einheit fertig

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gelötet, vorgespannt, fertig isoliert und elektrisch getestet werden- kann, bevor es mit dem Rohrabschnitt 14 verbunden wirdι

Beispielsweise werden die Halbleiterblöcke zueröt getrennt mit Wismuthzinn-Lot an ein Kupferelement und eine Kupferscheibe bzw. Kupferendplatte gelötet und zwar zur Erzielung einer hohen Verbindungsqualität bei sorgfältig eingehaltener¹ Temperatur. Die beiden in dieser Weise gebildeten Thermoelement-Unterbaueinheiten werden dann beidseits des Rohrabschnitts 14 angesetzt und durch Druckanwendung-auf die Kupferscheiben 16 quer durch die Halbleiterblöcke und den Rohrabschnitt vorgespannt. In diesem vorgespannten Zustand wird der Raum zwischen den beiden Scheiben l6 mit einem passenden Klebmaterial 22, wie beispielsweise einem Epoxyharz ausgefüllt, wonach die Anordnung während des Erhärtens unter Druck bleibt. Während dieses Vorganges wird die Temperatur der gesamten Anordnung in ihrer fixierten Stellung für eine kurze Zeit über den Schmelzpunkt, eines Weichlotes erhöht, welches an den Kupferelementen und dem Rohrabschnitt (bzw. seiner Kupferhülse) angebracht ist, wobei der Schmelzpunkt dieses Lotes beträchtlich unter dem Schmelzpunkt des Wismuth-Zinn-Lots liegt. Auf diese Weise werden die Kupferelemente jetzt an den Rohrabschnitt angelötet. Nach Absenken der Temperatur ist die Thermoelement-Anordnung zu einer Einheit

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vereinigt,"die nach dem Erhärten des Epoxyharzes durch die starke Adhäsionskraft dieses Harzes im vorgepannten Zustand zusammengehalten wird.

Diese Einheit ist unempfindlich gegen Stösse jeder Art und ist auch gegen Feuchtigkeit und Korrosion geschützt/ Die Wärmedehnung ist umbedeutend wegen der geringen Länge und unabhängig von der Stromrichtung. Die grossere Anordnung, innerhalb welcher diese Einheit eingebaut ist, benötigt keine Vorspannung, da die einzig kritischen Verbindungen sieh innerhalb der bereits vorgespannten Einheit befinden und jede Beanspruchung der Einheit als solche durch die Vorspannung absorbiert wird, ohne auf die inneren kritischen Verbindungsstellen übertragen zu werden. Die Konzeption einer vorgespannten Thermoanordnung löst das Problem der Stoßempfindlichkeit von thermoelektrischen Anordnungen. ■ ' .

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen ähnlichen Aufbau von Thermoelementen mit Halbleiterkörpern 23,24, Kupferelementen 25, einem Rohrabschnitt 26 und Kupferscheiben bzw. -Platten 27, welche in gleicher Weise an die metallischen Kühlrippenrohrabschnitte zum Wärmetransport an die Luft über Aluminiumkühlrippen 28 angelötet sind. Die Kupferseheiben 27 in diesem Aufbau gemäss der Erfindung sind mit abstehenden Ansätzen verbunden. Die Scheiben sind mittels Schrauben

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aus nichtleitendem Material oder mit isolierten Metallschrauben miteinander verschraubt. Die Thermoanordnung kann vor oder während des·Lötens, wie oben beschrieben, durch Anziehen der Schraubbolzen 29 vorgespannt und während und nach dem Ausfüllen des Raumes zwischen den Kupferscheiben 27 mit einem passenden Isoliermaterial unter Spannung gehalten werden. Das Isoliermaterial 30 kann bei dieser' Anordnung von geringerer Adhäsionskraft sein und eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Epoxyharz aufweisen.

Die beschriebene Flüssigkeit-zu-Luft-Hitzepumpe hat alle erwünschten Vorteile einer idealen thermoelektrischen Hitzepumpe: grosse Wärmeübertragimgsoberflachen sowohl gegenüber der Luft als auch gegenüber der Flüssigkeit, geringes Gewicht im Verhältnis zur Leistungsfähigkeit, einen hohen ¥irkungsgrad, mechanische Festigkeit und Unabhängigkeit von Thermostössen.

In beiden oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist der Temperaturabfall von dem Verbindungsenden zu den Absätzen der Aluminiumkühlrippen gering und die Tiärmeleitkapazität zur Luft kann leicht durch Wahl eines kürzeren oder längeren Kühlrohrabschnittes eingestellt werden, wobei der Abstand der Kühlrippen an die vorhandene Luftzirkulation angepasst wird.

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Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Teil einer Luft-zu-Luft-

liärraepumpe mit einem thermoelektrischen Unterbauteil gemäss der Erfindung. Dieses Unterbauteil kann vom n- oder p-leitenden Typ sein, wobei der Halbleiterkörper 31 zwischen die vorstehenden Enden 32 von Kupferscheiben 33 gelötet ist. Die Anordnung bildet einen uhrglasartigen Raum mit dem Halbleiterkörper in dessen Zentrum. Die Scheiben werden während des Lötens mit Druck beaufschlagt, und nicht druckentlastet bis der Raum zwischen den Scheiben mit einem Schaum-Material 34 mit starker Bindungskraft und guter Isolationsfähigkeit ausgefüllt ist. Als solches Material kann Polyvinylchloridschaum relativ hoher Dichte oder ein Epoxyharz angewendet werden, welches man unter Druck aushärten lässt. Das vorgespannte, fertig gelötete und isolierte Unterbauteil kann sodann an die Kupferauskleidung eines bimetallischen Kühlrphrabschnittes 35,36 angelötet werden. Diese Rohrabschnitte bilden zusammen mit den anliegenden Kupferscheiben die kalte und die warme Verbindungsbrücke. Das Unterbauteil kann in einer grösseren Anordnung zusammen mit verschiedenen anderen Unterbauteilen abwechselnden Typs in Reihe angeordnet werden. Die Länge der Kühlrohrabschnitte kann an die Wärmekapazität angepasst werden, im allgemeinen sollte die heisse Verbindungsbrücke langer als die kalte Verbindungsbrücke sein oder einen geringeren Abstand zwischen den einzelnen Kühlrippen aufweisen.

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Die Fig. 7 und 8 zeigen eine andere Bauweise eines Luft-zu-Luft-Thermobauteiles gemäss der Erfindung. Ein kreisring-' '

förmiger Halbleiterkörper 41 vom n- oder p-leitenden Typ ist an einen ringförmigen, vorstehenden Teil 42 einer Kupferscheibe 43 angelötet. Das Loch in der Scheibe ist dabei ausgerichtet mit dem Loch des ringförmigen Halbleiterkörpers. Die Ränder des Loches in den Scheiben sind eingesenkt, um die Länge der Verbindungsschrauben zwischen der heissen und der kalten Scheibe zu erhöhen, wie die Abbildung zeigt. Ein nichtleitender Schraubbolzen ist mittels nichtleitender Unterlegscheiben 45 durch die Bohrungen in dem Halbleiterkörper und in den Scheiben hindurchgesteckt und zwecks Vorspannung zusammengeschraubt. Der Zwischenraum zwischen den Scheiben ist mit geeignetem Isoliermaterial 46 ausgefüllt, worauf das Bauteil an Kühlrohrabschnitte angelötet und, wie vorstehend beschrieben in eine grössere Anordnung eingebaut werden kann. Die Scheiben sind zum Anlöten an eine ringförmige Kupferauskleidung 47 vorgesehen, die eine oder die andere Scheibe kann jedoch zum Anlöten an andere Arten von Verbindungsbrücken ausgebildet sein. Statt eines einzelnen ringförmigen Halbleiterkörpers können besser mehrere kleinere konzentrisch angeordnete Halbleiterkörper den ringförmigen Halbleiterkörper bilden. Unter "ringförmiger Körper" werden in der Beschreibung und in den Ansprüchen beide Ausführungsformen verstanden*

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Die Fig, 9 und 10 -zeigen, wie aus zwei Unterbaugruppen durch Zwischenfügung eines Kühlrohrabschnittes ein komplettes Thermobauteil hergestellt werden kann. Das Thermobauteil weist ringförmige Halbleiterkörper mit einer zentralen Spannschraube für die Vorspannung auf. Es ist ^s zusammengesetzt aus einer kalten Scheibe 51, einem ringförmigen Halbleiterkörper vom η-leitenden Typ, einer ersten warmen Scheibe 53 in Form einer Unterlegscheibe, einem Kühlrohrabschnitt 5k, einer zweiten heissen Scheibe 55, einem ringförmigen Halbleiterkörper vom p-leitenden Typ und einer zweiten kalten Scheibe 57, wobei alle Teile zusammengehalten und vorgespannt sind durch einen Schraubbolzen. 58 mit Schraubenwindungen 59· Der Schraubbolzen ragtjdabei von der ersten kalten Scheibe zur zweiten kalten Scheibe hindurch.

Diese Einheit verkörpert eine vollständige, luftgekühlte Wärmepumpe mit kalten Verbindungsstellen an jedem Ende für unterschiedliche Anwendungszwecke. Die Endglieder können an spezielle Anwendungsfälle-angepasst sein, die Hauptausbildung besteht jedoch in ringförmigen Halbleiterkörpern mit einer zentralen Bohrung zum Vorspannen und Zusammenhalten mittels Schraubbolzen. Der Schraubbolzen kann aus Metall geringer Leitfähigkeit wie rostfreiem Stahl bestehen, sofern er nirgends die Kupferscheiben oder den ringförmigen Körper berührt. Der Kühlrohrabschnitt ist

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in seinem Inneren mit geschäumtem Isolationsmaterial 60 gefüllt. Die Vorspannung kann auch auf andere Weise, beispielsweise mittels einer normalen Bolzenschraube erreicht werden, wobei sich zwischen Schraubenkopf "und der einen ' Endscheibe eine Schraubenfeder abstützt. ·

Vorgespannte Wärmebaueinheiten dieser Art können mit Kühlrohrabschnitten mittels Weichlot in Form von Stossfugen verbunden werden, um eine Luft-zu-Luft-Wärmepumpe mit abwechselnd heissen und kalten Kühlrohrabschnitten zu bilden. Normalerweise werden die heissen Abschnitte länger als die kalten Abschnitte gemacht und/oder der Abstand der Kühlrippen ist bei den heissen Abschnitten geringer. Die ringförmigen Körper können an ihren Aussenseiten durch isolierende Hülsen 50 geschützt sein.

Figur 11 zeigt ein anderes thermoelektrisches Bauteil mit Kupferscheiben 61, die beidseits eines Halbleiterkörpers vom n- oder vom p-Typ angelötet sind. Die Scheiben 61 sind mit-wenigstens zwei Ansätzen _6j zur Aufnahme nichtleitender Vorspannschrauben 64 versehen. In dem Raum zwischen ,den Scheiben befindet sich Isolationsmaterial-65, Diese Einheit ist an einer Seite an eine heissekind'an der anderen Seite an eine kalte Verbindungsbrücke 66,67 angelötet.

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Der Bauteil nach den Fig. 12 und 13 ähnelt dem der Fig.il. Hier sind die Scheiben 71 an Halbleiterkörper 72 angelötet und durch nichtleitende Klammern*zusammengepresst. Die Umhüllung ist nichtleitend und wird nach Füllen des Raumes zwischen den Scheiben mit passend geschäumtem Isolationsmaterial mittels eines SpezialWerkzeuges angebracht. Dieses Bauteil ist mittels "Weichlot an die Kupferauskleidung 75 eines bimetallischen Kühlrohrabschnittes mit Aluminiumkühlrippen 76 verbunden.

Die Fig. 14 und 15 zeigen ein Bauteil für eine Flüssigkeitzu-Flüssigkeit-thermoelektrische Wärmepumpe. Wenigstens ein Halbleiterkörper 81 des n- oder p-Typs ist an flache Kupferelemente bzw. Endplatten 82,83 angelötet, welche in je einer Rille Rohre 84 und 85 aufnehmen. Die Kupferelemente

82 und 83 nehmen nur einen Haibleiterblock zwischen sich auf, sie können gemäss der Erfindung aber auch zwei oder dreimal so breit gemacht werden um die entsprechende Zahl von Halbleiterblöcken längs der Rohre aufzunehmen und damit die Kapazität entsprechend zu erhöhen.

Die Rohre können zum direkten Weichlöten aus Kupfer bestehen oder mit einer Kupferumhüllung versehen sein. Die Röhren 82,

83 können einen geschlossenen Kreislauf für die zu kühlende Flüssigkeit und für die kühlende Flüssigkeit bilden. Die Kupferelemente 82,83 weisen voneinander abliegende Ränder auf, die von nichtleitenden Klammern vorgespannt und

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zusammengehalten sind. Hierdurch ist auch ein grosser Isolationsabstand erreicht. Der Innenraum rund um den Halbleiterkörper ist mit Isolationsschaumstoff 86 ausgefüllt, Ein Bauteil dieser Art vom n- oder p-Typ kann in· zwischen Flüssigkeiten arbeitenden Wärmepumpen unterschiedlicher Art verwendet'werden. Gemäss der Zeichnung ist der Bauteil zwischen parallelen Rohren angeordnet. Durch Iflfinkelversetzung der einen Kupferscheibe kann das Bauteil für sich senkrecht kreuzende Rohre in dreidimensionaler Bauweise verwendet werden.

Ss sind also verbesserte thermoelektrische Bauteile für von Flüssigkeiten-zu-Flüssigkeiten, von Flüssigkeiten-zu-Luft- und von Luft-zu-Luft-arbeitende Wärmepumpen äusserster Einfachheit und Zuverlässigkeit geschaffen worden. Die grundsätzlichen Bauteile sind einzeln fertig gelötet, vorgespannt und isoliert, wobei die kritischen Verbindungs- und Kontaktstellen gegen'Wärmeschocks, Stösse, Vibrationen, Feuchtigkeit und Korrosion geschützt sind. Diese Bauteile können leicht mit Wärmeleitern unterschiedlichster Art zusammengebautwerden, wobei keine Montagearbeiten mehr an den Bauteilen selbst erforderlich sind.

Die Fig. 16 und 17 zeigen eine Luft-zu-Luft-Warmepumpe mit vorgefertigten Thermobauteilen vom n- und p-Typ. Das Halbleitermaterial 111,112 ist an die ausgewölbten Teile

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113,114 von vorzugsweise mit Nickel plattierten Kupferscheiben 115,116 angelötet. Die Kupferscheiben wurden unter Druck gesetzt und der Raum um die Halbleiter mit adhäsivem Material wie 'Epoxyharz oder mit stark geschäumtem Plastikmaterial 117 ausgefüllt, wobei während des Aushärtens der Druck aufrecht erhalten blieb. Die heissen und kalten Scheiben sind mit Weichlot an die Kupferauskleidungen 118 von Rohrabschnitten 119 mit Äluminiumkühlrippen 120 angelötet. Über die Leitungen 121,122 wird Strom in der Weise zugeführt, dass der erste, mittlere und letzte Abschnitt heiss und die dazwischen liegenden Abschnitte kalt werden. In der Mitte ist ein längerer Rohrabschnitt vorgesehen. Durch symmetrisch neben den Rohrabschnitten angeordnete Schraubbolzen kann die Vorrichtung vorgespannt werden. . .

Die luft-zu-Luft-Wärmepumpe nach den Fig.18 und 19 verwendet Halbleiterblöcke 131,132 vom n- oder p-Typ, Die ringförmigen Körper sind auf ihren flachen Seiten an mit Mckel plattierten Kupf erringen· 133,134 angelötet, worauf die heissen oder kalten Verbindungsbrücken weich angelötet wurden. Die Kupferscheiben sollten flache Oberflächen entsprechend der' Oberfläche der Halbleiterkörper haben, um ¥ärmeverluste zu vermindern. Die Kühlrohre, Halbleiterkörper und Kupferscheiben sind längs ausgerichtet

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und Strom fliesst zwischen den Zuleitungen 140,141. Durch passende isolierte Leitwände 139 wird die zu kühlende und die kühlende Luft über die Wärme austaus-chrohre geleitet. Bei der Stromzuführung über die Leitungen 140,141 werden der mittlere und die endständigen Rohrabschnitte heiss, während die anderen kalt werden. Der heisse mittlere Abschnitt ist für zwei komplette Wärmepaare gemeinsam und kann langer ausgebildet sein. Das Verhältnis von Fläche zu Länge (A/L) der Halbleiterkörper kann durch entsprechende Dimensionierung leicht auf das erwünschte Maximum für Strom- und "Wärmedurchgang gewählt werden. Die Länge und der Kühlrippenabstand der Kühlrohre, die Ventilatorleistung und die Luftgeschwindigkeit bestimmen die Wärmeleitung und die "Wärmekapazität bei einer bestimmten Temperaturdifferenz. Das gezeigte System ist daher sehr anpassungsfähige Durch Wahl gleicher Längen für die warmen und kalten Abschnitte wird die Anordnung unabhängig von Wärmedehnungen beim Umpolen.

Thermische μΜ mechanische'Stösse, sowie Vibrationen bilden ernste Problemdbei thermoelektrischen "Wärmepumpen. Um die kritischen Berührungsstellen zu schützen, werden die Elemente unter Druck zusammengepresst. Bei der symmetrischen, linearen Anordnung kann gleichmässiger Druck längs der Mittellinie angewendet werden.

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Die beschriebene Anordnung nach den Fig. 18 und 19 macht die Anwendung einer einzelnen Spannschraube bzw. eines Spanndrahtes längs der Mittellinie möglich. Ein starker Draht oder Bolzen 122 aus rostfreiem Stahl od.dgl. ist von einer Enciscneibe 143. zur anderen 144 geführt. Durch nichtleitende Unterlegscheiben 145 ist der Bolzen 122 elektrisch isoliert. Durch Anziehen der Schraubmutter I46 wird die gewünschte Torspannung in der Schraubenfeder 147 erreicht. Wegen der symmetrischen Anordnung ist die Vorspannkraft in allen Bauteilen über deren gesamte Fläche gleich. Der Schraubbolzen 142 kann an jedem Ende für die Befestigung in Klimaanlagen od.dgl. ausgebildet sein. Durch die Druckkraft wird ein guter elektrischer und thermischer Kontakt zwischen den aneinander anstossenden Bauteilen erreicht, so dass diese nicht zusammengelötet oder in anderer Weise miteinander verbunden zu werden brauchen. Das Innere der rohrförmigen Anordnung kann-mit Isoliermasse 148 ausgefüllt sein, auch können die ringförmigen Körper durch Isolierhülsen geschützt sein.

Statt eines einzigen Spannbolzens können auch mehrere Spannbolzen bzw. Klammerglieder symmetrisch unjden Umfang herum angeordnet sein.

Zur Verbesserung des Kontaktes können Silikonschmiere oder Metallverbindungen und dergl. angewendet werden. Auch können Rillen oder Flanschen zur Zentrierung der

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Einzelteile angewendet werden.

Durch "Wegfall des Lötens können Aluminiumteile verwendet werden. Die Verwendung eines relativ .langen Halbleiterkörpers bei einem gegebenen Verhältnis von Oberfläche zu Länge reduziert den Einfluss des Oberflächenwiderstandes bzw. Kontaktwiderstandes. Das erhöhte Volumen an Halbleiter-' material ist ausgeglichen durch dessen geringeren Preis.

Die Figuren 20 und 21 zeigen ein^ von Hand zu betätigenden, batteriebetriebenen Klimaapparat, der beispielsweise in einem Auto verwendet werden kann. Dabei sind drei Kühlrohrabschnitte mit den erfindungsgemässen Halbleiterabschnitten axial zusammengesetzt, wie dies bezüglich der. Fig. 18 und beschrieben ist.

Die beiden warmen Abschnitte 151 und der kalte Abschnitt werden über Leitungen 153*154 mit Strom versorgt. Das Aufnahmegehäuse 155 ist um den Mittelabschnitt 152 herum halb geschlossen. Ein kleiner Ventilator 157 ist auf der Hinterseite des Hittelabschnittes angeordnet. Der Ventilator wird über die Leitungen 158,159 von der; Batterie mit Strom versorgt. Diese Leitungen sind zusammen mit den dickeren Leitungen 153,154 in einem gemeinsamen Kabel .161 angeordnet_β Die Rohr ab schnitte- sind bei 152 geschützt. Die heissen Ver-

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bindungsbrücken benötigen keinen Ventilator, da das

gesamte Gerät von Hand zur Vergrösserung der ¥ärmeverteilung beweglich ist. Der Ventilator 157 bläst Luft über den mittleren Abschnitt zur Kühlung des Gesichts des Halters. Mehrere thermoelektrische Baueinheiten dieser Art mit ■■ ' Kühlrohrabschnitten kleinerer Dimensionen können parallel zueinander jedoch elektrisch in Serie zur Bildung eines grösseren Widerstandes angeordnet sein. Auch kann ein zweiter Ventilator einen Luftstrom gegen die heissen Abschnitte in umgekehrter Richtung blasen. Dieses Gerät, welches sowohl einen heissen als auch einen kühlen Luftstrom erzeugt, kann in vielfältiger ¥eise auf Pulten oder an der Decke als Kühler und/oder Heizkörper angeordnet sein. -

Die Fig. 22und 23 zeigen eine Flüssigkeit-zu-Luft-Hitζepumpe mit Paaren von Halbleiterkörpern 171,172 vom n- und p-Typ. Die ringförmigen Körper sind an gleichartigen Enden, beispielsweise den heissen Verbindungsenden, an Kupferscheiben 173 angelötet. Auf ihren anderen Seiten sind sie mit Kupferscheiben 174 verbunden, welche^ Kragen 175 aufweisen. Zwei aus je einer Kupferscheibe 173» einem Halb*· leiterkörper vom n- oder p-Typ und einer Kupferscheibe bestehende Bauteile sind mit ihren Kragen 175 an eine zentrale Röhre 176 und mit ihren Kupferringen 173 an die

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Kupferauskleidung 177 eines Kühlrohres 178 angelötet. Bas zentrale Rohr 176 ist mittels eines nichtleitenden Rohrabschnitt s 179 mit dem entsprechenden Rohr-des nächsten Abschnitts verbunden, womit ein durchgehender Flüssigkeits- · kanal gebildet ist. Durch festes Isoliermaterial 180 ist der Aufbau mechanisch sehr fest. Diese Anordnung kann in der vorbeschriebenen Weise als luftgekühlter Flüssigkeitskühler oder als flüssigkeitsgekühlter Luftkühler dienen.

Die Fig. 24 und 25 zeigen eine andere Ausführung der Flüssigkeitsseite der Thermoelemente gemass den Fig.22 und 23· Die ringförmigen Halbleiterkörper 193pnd 192 vom n- bzw. p-Typ sind auf gleichartigen Seiten an Kupferscheiben 193/194 angelötet, während ihre anderen Seiten an einen für beide gemeinsamen Kupferring 195 angelötet sind, der seinerseits an ein Rohrstück I96 angelötetlist. Die Kupferscheiben 194»193 sind wie vorbeschrieben an die Kupferauskleidungen 197 angelötet. Die Rohrstücke I96 sind über nichtleitende Rohrstücke 199 mit anderen gleichartig aufgebauten Elementen verbunden.

Der angelegte Strom fliesst längs der Kupferaüskleidung 197» durch einen- Ring 194, durch einen ringförmigen Halbleiterkörper 192, durch den Kupferring 195 zum nächsten Halbleiterkörper 191. und schliesslich über einen Kupferring 193 zur

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nächsten Kupferauskleidung 197 im nächsten Abschnitt. Durch das eingefügte Rohrstüek 196 fliesst kein Strom. Die Kupferringe können mit der gleichen Oberfläche wie die Halbleiterkörper ausgebildet sein, so dass nur kleinst--' mögliche hei,-j je und kalte Oberflächen aneinanderliegen. Di-e ■ ringförmigen Anordnungen gemäss den Figo 22 bis 25 können durch Spannbolzen vorgespannt sein.

Statt eines einzigen ringförmigen Körpers kann eine Vielzahl ringförmiger Körper mit der gleichen Wirkungsweise konzen*- trisch angeordnet sein. Der Ausdruck "ringförmiger Körper" in der Beschreibung und in den Ansprüchen umfasst beide Ausführungen. Der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "gleichartig" besagt, dass die als gleichartig; bezeichneten Teile beim Stromdurchgang entweder alle v/arm oder alle kalt werden.

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Claims (1)

1. Patent- (Schutz-) Ansprüche

   ( loj Thermoelektrische Anordnung, mit einer Serienverbindung einer Vielzahl von Elementenreihen, 'deren jede einen Halbleiterkörper einschliesst und beidseits von einem Metallglied guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit begrenzt ist, wobei jeder Halbleiterkörper zwei Oberflächen aufweist, deren eine sich beim Stromdurchgang erwärmt und deren andere sich beim Stromdurchgang abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (22,29,30,58,117,1'42) zur voneinander unabhängigen Druckbeaufschlagung jeder Reihe in ihrer Längsrichtung vorgesehen sind, so das^aie in Kontakt mit den Metallgliedern (13,16)stehenden Oberflächen der Halbleiterkörper (12,13) unter Druck gehalten sind«

   2. Thermoelektrische Anordnung mit einer Vielzahl von Verbindungsbrücken, mit Paaren von Halbleiterkörpern unterschiedlichen Typs, deren gleichartige Verbindungsenden in elektrischem und thermischem Kontakt mit den .Enden der Verbindungsbriicken stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung kittel (22,29,30,58,117,142) aufweist, mit denen jede Reihe unabhängig von jeder anderen in ihrer Längsrichtung mit einem Druck beaufschlagbar ist.

   3. Thermoelektrische -Anordnung mit.wenigstens einem p-leitenden Halbleiter-und wenigstens einem nr-leitenden Halbleiterkörper, deren jeder an zwei einander gegenüber-

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   liegenden Seiten mit.einem'.Metallglied' zur Bildung einer oder mehrerer Reihen verbunden ist, deren Achse imWesentlichen senkrecht zu den genannten Oberflächen verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängige Druckmittel (22, 29,3O,58>117,142) für jede der genannten Reihen vorgesehen sind zur Druckbeaufschlägung der metallischen Endglieder (13,16,25,27) der Reihen in axialer Richtungo

   4. .Thermoelektrische Anordnung mit einer-Reihe von Elementen, in der Metallglieder mit einer oder mehreren Lagen abwechselm, die je einen Halbleiterkörper oder mehrere Halbleiterkörper vom selben Typ enthalten, wobei an beiden Enden Metallglieder stehen und der Strom von einem 'Endglied durch die Halbleiter bisjzum anderen Endglied hindurchgeht, wobei bei Anordnung mehrerer Halbleiterkörper, .aufeinanderfolgende Halbleiterkörper entgegengesetzte Leitfähigkei.t Haben, dadurch' gekennzeichnet, dass Mittel (22,29,30,58,117,142) zur Druckbeaufschlagung der endständigen· Metallglieder vorgesehen-sind, so dass ein Druck durch den bzw, die Halbleiterkörper parallel zum Strompfad übertragen wird, wobei der auf die Endgl'ieder (13,16,25,27) ausgeübte Druck unabhängig von Druckmitteln ist, die auf jenseits der Endglieder jeder Reihe liegende Elemente wirken könnte, wobei die Lagen der Reihe zwecks guten thermischen und elektrischen Kontaktes zusammengelötet sind und erforderlichenfalls Diffusionsbarrieren vorgesehen

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   5. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch ■ gekennzeichnet, dass.die Reihe zwei Halbleiterlagen (11,12) entgegengesetzten Typs enthält. · ■-." - ■ ■

   6. Thermoelektrische Anordnung gem&ss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, vier oder mehr halbleitende Lagen (111, 112) vorgesehen sind, wobei die halbleitenden Körper in aufeinanderfolgenden Lagen von entgegengesetztem Typ sind.

   7ο Thermoelektrische Anordnung nach wenigstens einem der Voranspräche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallglieder der Reihe mit Auswölbungen (15) von der Grosse der ihnen zugewandten Oberfläche des Halbleiterkörpers versehen sind, mit Vielehen sie mit den Halbleiterkörpern verbunden sind. - ;

   8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Metallglieder die Form eines mit Kühlr.ippen versehenen Rohrabschnitts (19,178) aufweist.

   9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Voransprüche, . dadurch gekennzeichnet, dass die Metallglieder und die Halbleiterkörper durch abgebundenes bzw. erhärtetes Isoliermaterial (22) unter Druck gehalten sind. ■

   10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Klammermittel mit wenigstens einem Bolzen (29,44) zwischen den Endgliedern (27) zur Druckbeaufschlagung der Endglieder und damit der Halbleiteroberflächen vorgesehen sind.

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   £1* Vorrichtung nach wenigstens einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Lagen zwei oder mehr halbleitende Körper (171,172) in ringförmiger Anordnung aufweist. .

   12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (29,44) aus nichtleitendem Material besteht,

   13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (44) gegenüber den Endplatten isoliert ist.

   14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterkörper ringförmig (41) ausgebildet sind.

   15* Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrabschnitte bimetallisch (76,75) sind, wobei ihre Enden für Weichlötung mit den Ketallgliedern geeignet sind.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrabschnitte in ihrem Inneren von einem bis zum anderen linde mit Kupfer oder einer Kupferlegierung (75) ausgekleidet sind.

   17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die warme Verbindungs-"brücke alsiauc-h die kalte Verbindungsbrücke (35,36) als axial gegeneinander ausgerichtete Kühlrippenrohre ausgebildet "sindc

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   ORiGIHAL INSPECTED

   18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-17, dadurch gekennzeichnet,dass Kittel (142) zur Beaufschlagung der Elemente mit einem einheitlichen axialen "Druck vorgesehen änd. ■..'". ι

   19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur axialen Druckbeaufschlagung im wesentlichen von einem die Anordnung axial durchsetzenden elektrisch isolierten Bolzen oder Draht gebildet sind»

   20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,, dass der Bolzen oder Draht (142) eine Feder (147) zur Vorbestimmung und Einhaltung der Vorspannung einschliesst.

   21. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 18-20, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen oder Draht thermisch isoliert ist.

   22. Verfahren zum Montieren einer Wärmepumpe aus erfindungsgemassen Bauteilen nach wenigstens einem der Voransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst" zwei Bauteile geraäss wenigstens einem der Voransprüche getrennt zusammengesetzt und sodann elektriscn leitend miteinander verbunden werden.

   23. ' Verfahren nach ünsprueh 22, dadurch Gekennzeichnet, dass die Bauteile vor inrer Verbindung elektrisch getestet werden.

   24. Verfahren nach Ansiruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass' die Bauteile vor ihrem Zusammenbau isoliert werden..

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   Le e rs ei t e