DE1539310A1

DE1539310A1 - Thermoelektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE1539310A1
Application number: DE19671539310
Authority: DE
Inventors: Abbott Colin Edward
Original assignee: Mining and Chemical Products Ltd
Current assignee: Mining and Chemical Products Ltd
Priority date: 1966-10-17
Filing date: 1967-10-16
Publication date: 1970-09-24
Also published as: GB1189660A; JPS468833B1; FR1540870A; US3632451A

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine thermoelektrische Vorrichtung mit zwei oder mehr parallelen Schaltungen, wobei jede der Schal tungen eine Anzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen aufweist, die jeweils aus zwei ungleichen, elektrisch in Reihe geschalteten thermoelektrischen Teilen bestehen. Die parallelen Schaltungen sind vorzugsweise an Stellen miteinander verbunden, die leicht ihre Enden sind und an denen, wenn sie nicht verbunden wären, im Betrieb der Vorrichtung das gleiche Potential vorhanden wäre.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Vorrichtung, die mehrere elektrisch miteinander verbundene Thermoelemente aufweist, wobei jedes Thermoelement zwei ungleiche thermoelektrische Teile, beispielsweise einen p-Typ-Teil und einen n-Typ-Teil, aufweist; die Vorrichtung kann entweder nach Art des Peltier-Effektes benutzt werden, wenn durch das; Anlegen eines geeigneten Gleichstroqies ein Wärmepumpeffekt zjwischen den Hauptflächen hervorgerufen wird, oder nach Art des

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Seebeck-Ef'f ektes, wenn infolge des Vorhandenseins einer unterschiedlichen Temperatur zwischen den Hauptflächen eine Spannung der Vorrichtung hervorgerufen wird.

Es ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt, bei der die verschiedenen n-Typ-Teile und p-Typ-Teile durch leitende, metallische Verbindungsglieder oder Bänder in Reihe geschaltet sind. Ein solches Verbindungsglied kann beispielsweise ein Metallstreifen sein, der an benachbarten p-Typ-Teilen und n-Typ-Teilen angelötet ist, bei dem Verbindungsglied kann es sich aber auch um ein Metallband handeln, das durch elektrische Ablagerung auf benachbarten p-Typ-Teilen und n-Typ-Teilen hergestellt ist.

Es wurde gefunden, daß im Betrieb die Verbindungsglieder oder die Kontakte zwischen den Verbindungsgliedern und Thermoelementteilen leichter ausfallen als die Teile selbst. Da die Verbindungen in Reihe geschaltet sind, fällt die ganze Vorrichtung aus, wenn ein Verbindungsglied oder Kontakt ausfällt.

Die vorliegende Erfindung soll diesen Nachteil beseitigen und eine Vorrichtung schaffen, bei der im Falle des Versagens eines Verbindungsgliedes oder eines Thermoelementteiles oder eines Kontaktes nur ein Teil der Vorrichtung außer Betrieb gerät.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine thermoelektrische Vorrichtung der beschriebenen Art zwei oder mehrere parallele Schaltkreise auf, wobei jeder Schaltkreis eine Anzahl von elek-

trisch in Reihe geschalteten Thermoelementen aufweist, die je-■ ■ ■ ■ . j i

weils aus zwei ungleichen, elektrisch in Reihe geschalteten thermoelektrischen Teilen bestehen, und wobei die parallelen ' Schaltungen an ihren Enden an einen äußeren Schaltkreis elek- : trisch anschliefrbar sind. Zwischen jeweils zwei Schaltungen ι können Verbindungen angeordnet werden, wobei diese Verbindungen

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BADORIGINAt

vorzugsweise zwischen Stellen hergestellt werden, die, wenn sie nicht verbunden wären, bei in Betrieb befindlicher Vorrichtung das gleiche Potential aufweisen wurden. Die Verbindungen zwischen Stellen gleichen Potentials können aus metallischen Verbindungsgliedern bestehen und die Verbindungsglieder können den parallelen Schaltungen gemeinsam sein. Zum Anschluß der parallelen Schaltungen mit ihren Enden an einen äußeren Schaltkreis können entweder die Schaltungen an jedem Ende eine gemeinsame Anschlußleitung oder jede Schaltung eine gesonderte Leitung an jedem Ende aufweisen, wobei diese zwei Leitungen an jedem Ende der Vorrichtung selbst wieder an eine einzige Leitung des äußeren Schaltkreises angeschlossen sind. Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig* 1 bis 3 zeigen als Beispiele vereinfachte Schaltpläne.

Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine thermoelektrische Vorrichtung und

Fig. 5 zeigt eine schematische Untersicht zu der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form eine bekannte thermoelektrisehe Vorrichtung mit Thermoelementen, von denen jedes aus einem p-Typ-Halbleiterelement P und einem n-Typ-Halbleiterelement N bestehen, welche durch metallische Verbindungsglieder L verbunden sind. Wenn ein Verbindungsglied oder ein Element ausfällt, wird der Kreis unterbrochen und die ganze Vorrichtung unwirksam. (In den Figuren i, 2 und 3 sind zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung die Thermoelementteile mit den Symbolen für einen Widerstand dargestellt. Im Gebrauch wirkt ein Thermoelementteil nicht nur als Widerstand, sondern hat auch die entspre-

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chenden Spannungen nach Seebeck & Thomson).

Fig. 2 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine thermoelektrische Vorrichtung gemäß der Erfindung. Diese Vorrichtung'» weist zwei Schaltungen auf, die parallel geschaltet und an lh* ren Enden an den gleichen äußeren Schaltkreis angeschlossen ' sind. Jede Schaltung weist Thermoelemente auf und jede« Thermoelement besteht aus einem n-Typ-Teil N, einem Verbindungsglied '

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L , einem p-Typ-Teil P und einem Verbindungeglied L , die In Reihe geschaltet sind. Wenn ein Verbindungsglied odtr Teil ausfällt, wird nur eine Schaltung unterbrochen und folglich nur ' die halbe Vorrichtung unwirksam. .

Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung eine bevorzugte thermoelektrische Vorrichtung gemäß der Erfindung. Diese Vorrichtung 1st die gleiche wie die in Fig. 2 dargestellt« Vorrichtung, jedoch weisen die Schaltungen eine Verbindung CL - zwischen

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den Steilen 1,1, eine Verbindung CL zwischen den Stellen 2 >

2 , usw. auf. Im Gebrauch 1st an den Stellen 1 und 1 ebenso

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wie an den Stellen 2. und 2 usw. das gleiche Potential vorhan-

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den. Die Steilen 1 , 2,1 ,2 liegen in der Zeichnung auf den

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Verbindungsgliedern L , L , sie könnten jedoch auch auf den Teilen N¹, N², P¹, P² usw. liegen oder die Verbindungen CL¹, CL² könnten von p-Typ- oder n-Typ-Teilen gebildet werden« Man erkennt, daß beim Versagen eines Verbindungsgliedes oder eines Thermoelementteiles keine der Schaltungen unterbrochen wird, daß vielmehr die die Störung aufweisende Schaltung durch die andere Schaltung gespeist wird. Wenn zum Beispiel das (vom posi-

2 ". " ". -■■.■■

tiven Ende her) erste Thermoelementteil P ausfällt, dann wür- ' den die Schaltungen - vom positiven Ende her - durch die Teile

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N , N ι durch die Stellen 1 und 1 und die Verbindung CL zum

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Teil P und durch die Stellen 2 , 2 und die Verbindung CL zu den übrigen Teilen in beiden Schaltungen verlaufen. Auf diese

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/Weise "ist die Leistungsminderung der Vorrichtung verhältnismäßig gering.

,Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht und Fig. 5 eine 'schematische Untersieht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Um der Übersichtlichkeit willen sind nur einige der Verbindungsglieder dargestellt und es 'sind auch nicht alle Halbleiterelemente mit "P^M mnd "n" bezeichnet,

Bei der dargestelltcen Vorrichtaing handelt es sich um eine Modul-Form, das heiifo, um eine Zusammensteilung von Elementen₃ die mit einem zwischengeschalteten Isolierfilm zu einem einzigen Block oder einer Einheit verbunden sind. Ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung in Modul-Form ist im Patent Nr. \.031.566 der Änmelderin offenbart.

Die Vorrichtung weist neunzig Halbleiterelemente auf, die in senkrechten Reihen a bis j und in waagerechten Reihen 1 bis angeordnet sind. Die Elemente der senkrechten Reihen a bis e bilden eine Schaltung A und die Elemente der senkrechten Reihen f lbs j bilden eine andere Schaltung B. Diese zwei Schaltungen bilden ein Schaltungspaar. Jede der Schaltungen ist eine Reihen-Schaltung und die zwei Schaltungen sind an Stellen gleichen Potentials parallel miteinander verbunden, was noch erläutert wird. .

Die senkrechten Reihen e und f bilden tatsächlich eine einzige Reihe von Thermoelementteilen doppelter Breite, die die Verbindungen zwischen Stellen gleichen Potentials bilden. Dies wird ohne weiteres verständlich, wenn man die zwei Schaltungen nachfährt. . ·■ i .

' Es wird zunächst auf Fig. 4 Bezug genommen und hier am posi-^;

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tiven Ende begonnen. Eine positive Leitung 10 tritt hier in die p-Typ-Teile doppelter Breite Ie-If ein. Der Strom gelangt von hier in beide Schaltungen, und zwar über das Verbindungsglied 11 zum n-Typ-Teil Id und über das Verbindungsglied 12 zum n-Typ-Teil Ig. Da die beiden Schaltungen in ihrer Anordnung identisch sind, braucht hier nur die Schaltung A beschrieben zu werden. Der Strom tritt durch das Teil Id hindurch nach unten durch das Verbindungsglied 13 (Fig. 5) auf der Unterseite der Vorrichtung z\im p-Typ-Teil Ic, nach oben durch Ic, durch das Verbindungsglied 14 zum n-Typ-Teil Ib, nach unten durch das Element Ib und durch das Verbindungsglied 15 zum p-Typ-Teil la. Der Strom tritt dann nach oben durch das Element la und durch das. Verbindungsglied 16 (Fig. 4) zum ersten Thermoelementteil der Reihe 2, nämlich zum n-Typ-Teil 2a. Von hier tritt der Strom durch die verschiedenen Teile und Verbindungsglieder der Reihe 2 hindurch und gelangt zum n-Typ-Teil doppelter Breite 2e, 2f, er fließt we it err durch das Verbindungsglied 17 (Fig. 5) zum p-Typ-Teil 3e-3f und dann durch die veschiedenen Thermoelementteile und Verbindungsglieder der Reihe 3 usw. vor und zurück durch die Reihen, bis er beim n-Typ-Teil 1Oe-1Of ankommt, um dann zur negativen Leitung zu fließen.

Der gleiche Stromfluß ist auch bei der Schaltung B vorhanden.

Man erkennt, daß jedes der doppelt breiten Teile der senkrechten Reihen e-f einen gemeinsamen Punkt beider Schaltungen bildet, wobei an diesem Punkt bzw. an dieser Stelle in den beiden Schaltungen das gleiche Potential vorhanden ist. Zum Beispiel ist das p-Typ-Teil 3e-3f eine Verbindung zwischen den zwei / Schaltungen in der Reihe 3 und das n-Typ-Teil 4e-4f eine Verbindung in der &eihe 4 usw.

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Man erkennt auch., daß, wenn entsprechend der Beschreibung im

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Zusammenhang mit Fig. 3 beispielsweise das Verbindungsglied 18 (Fig. 5) ausfälltρ nur die Thermoelementteile der Reihen 3 und 4 in der Schaltung A außer Betrieb geraten. Der normalerweiSe durch diese Teile fließende Strom fließt dann zusätzlich durch die Reihen 3 und 4 in der Schaltung B.

. Gemäß den Figuren 4 und 5 weist die Vorrichtung also zwei Schaltungen A und B auf, die parallel zwischen der positiven und der negativen Anschlußleitung angeschlossen sind, wobei dies· Anschlußleitungen jeweils an die Teile Ie-If und IQe-1Of Angeschlossen sind. Jede der Schaltungen A und B weist •in· Anzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen auf und !•d·· Thermoelement weist in Reihe geschaltet ein n-Typ-Teil (oder ein p-Typ-Teil), etwa das Tell Ic, ein erstes metall!- tches.Verbindungsglied, etwa das Verbindungsglied 14, ein p-Typ-Teil (oder ein n-Typ-Teil), etwa das Teil Ib, und ein eitel tee metallisches Verbindungsglied auf, etwa das Verbindungsgiled 15. Die Schaltungen A und B sind an Stellen gleichen Fottttitials miteinander verbunden, das heißt, an den Teilen U-If, 2e-2f, 3e-3f usw. bis zum Teil lOe-lOf.

la lahmen der Erfindung sind auch andere Anordnungen möglich. Beispielsweile könnten die Verbindungen zwischen den Stellen , gleichen Potentials - statt aus doppelt breiten Thermoelement- W £·11·η - aus metallischen Verbindungsgliedern bestehen, die j die End-Teile benachbarter Reihen der zwei Schaltungen verbinden. Mit anderen Worten, die senkrechten Reihen e und f könnten aus gesonderten Thermoelementteilen von der gleichen Größe wie die übrigen Elementteile bestehen und jedes Paar dieser gesonderten Elementteile, beispielsweise die Thermoelementteile • 3e und 3f, würden dann durch ein metallisches Verbindungsglied '· oder einen Draht oder eine andere leitende Verbindung miteinander verbunden.

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Es wurde auch gefunden, daß die Anschiußstelle einer Leitung» j

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etwa der Leitung 10, an eines Schaltung eine schwache Stelle ' '; I.

ist; es kann daher erwünscht sein» daß man gesonderte Ein- ·' 1

gangs- und Ausgangsleitungen für die zwei. Schaltungen hat, , ¹I

Die zwei Eingangs- und Aus gangs Leitungen werden dann außer- ·. :

halb der zwei Schaltungen jeweils an eine einzelne Eingangs- " .

oder Ausgangsleitung; angeschlossen. ·

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Claims

Mining & Chemical Products'Limited,

86, Strand,,

London, W.Ev2., "England

W A T E M X A Ji S P R Ü C H E

Thermoelektrische Vorrichtung, gekennzeichnet durch zwei oder mehr parallele Schaltungen, wobei jede der Schaltungen eine Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Thermoelementen aufweist, die jeweils aus zwei ungleichen, elektrisch in Reihe geschalteten thermoelektrischen Teilen bestehen, und wobei die parallelen Schaltungen an ihren En- »den an einen äußeren Schaltkreis elektrisch anschließbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die parallelen Schaltungen elektrische Verbindungen zwischen Stellen aufweisen, die nicht ihre Enden ,sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verbindungsstellen Stellen sind,,an denen bei in Betrieb befindlicher Vorrichtung auch dann das gle'iche Potential vorhanden ist, wenn d,ie Stellen nicht verbunden sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen metallische Verbindungsglieder (GL¹, GL², CL³) sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen Thermoelement-Teilen

liegende Verbindungsglieder sind, die den parallelen Schaltungen-gemeinsam sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen Thermoelement-Teile sind, die den

parallelen Schaltungen gemeinsam sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende jeder parallelen Schaltung einen Anschlußleiter für den äußeren Schaltkreis aufweist.

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