DE1539286A1 - Thermoelektrische Anordnung - Google Patents
Thermoelektrische AnordnungInfo
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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
909530/0610
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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
bad
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
BAD Ö$5Ö :
-3-
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,
9O983S/OS50
-L-
15392&6
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
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 '
90803070660
- V -5-
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.
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,
-6-
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
8098 387OSSO
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
-8-
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
909Ö3Ö/U650
-9-
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.
9ÜÖS33/G650
-10-
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.
-.9-0683.8/OS SO
-11-
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*
90983 8/0650
-12-
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
. 909836/0650
-13-
JH
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.
90993WQsSO
-14-'
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
909838/0650 '
-3 5-
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
909838/0650
-16-
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
909838/06BO
-17-
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.
909838/06S0
-Xo-
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 angeordnetβ
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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-21-
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)
- 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-909838/0650· -24-isliegenden 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 Richtungo4. .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 vorgesehen909838/0650-25-U-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.909838/0650-26-£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 "sindc909838/0650-27-ORiGIHAL INSPECTED18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8-17, dadurch gekennzeichnet,dass Kittel (142) zur Beaufschlagung der Elemente mit einem einheitlichen axialen "Druck vorgesehen änd. ■..'". ι19. 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.._28_ 909838/0650Le e rs ei t e
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