DE1764724A1

DE1764724A1 - Thermoelektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE1764724A1
Application number: DE19681764724
Authority: DE
Inventors: Hans Schering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-07-25
Filing date: 1968-07-25
Publication date: 1971-10-21
Also published as: DE1764724B2; GB1231312A; FR2014713A1; JPS4933549B1; DE1764724C3

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Berlin und München

2 5. JUL11968

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Thermoelektrische Vorrichtung

En ist bekannt, den Peltier-Effekt zum Betrieb von Wärmepumpen bzw. den Geebeck-Effekt zum Betrieb von Thermogeneratoren auszunutzen. Als Wärmepumpen betriebene Peltier-/inordnun^en sind in der Regel in der Weise aufgebaut, daß parallel zueinander liegende Schenkel aus Halbleitermaterial, die abwechselnd p- bzw. η-leitend sind, an ihren Stirnflächen durch metallische Kontaktbrücken derart verbunden sind, daß ^ri';h ein rnäanderförmi^er Stromverlauf ergibt. Es ist auch bekannt, die Kontaktbrücken als metallische Schichten auf

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einer elektrisch isolierenden Trägerplatte, z.B. einer Keramik-Platte, auszubilden (z.B. deutsches Gebrauchsmuster-1 912 958). Hierbei stehen jedoch die Halbleiterschenkel bezüglich ihrer Stromflußrichtung senkrecht zur Fläche der Isolierplatte; sie sind außerdem nur mittelbar über die Kontaktbrücke mit der Trägerplatte verbunden.

Bei den bisher gebräuchlichen Peltier-Wärmepurapen mit z.B. 70 Lleaentenpaaren liegt die Anschlußspannung nur in der Größenordnung von einigen Volt. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Thermokra£t der besten bisher bekannten Materialpaare nur etwa 200 χ 10"" V/°C beträgt. Es ist jedoch erwünscht, Arischlußspannungen zu erreichen, die in der Größenordnung der Spannung öffentlicher Netze, also 110 bzw. 220 V, liegen, damit die Notwendigkeit der Transformierung entfällt. Derart hohe Anschlußspannungen lassen sich nur durch eine erhebliche Vermehrung der Elementenpaare bei entsprechender Querschnittsverminderung erreichen. Dadurch ergeben sich jedoch Fertigungsprobleme, die sich bei der bisherigen Bauweise in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen nicht lösen lassen. Dabei besteht die Hauptschwierigkeit darin, eine einwandfreie elektrische Verbindung der zahlreichen Halbleiterncherikel mit den Kontaktbrücken, z.B. durch Verlötung, herzustellen, wozu nämtliche Schenkel genau in der erforderlichen Lage gehaltert werden müssen. Entsprechende:? gilt für

Thermof'enera türen.

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Lev Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese .Jchwierigkeiun zu beheben. Sie bezieht sich auf eine thermoelektrisch«.: Verrichtung (7.'arme pumpe oder Thermogenerator), bei der ίί·Γ: Ie: terschenkel und metallische Kontaktbrücken auf einer if-el it rennen Trägerplatte angeordnet sind, und besteht darin, ■Ή;?- öie lüilbleiterschenkel unmittelbar mit der Trägerplatte •■;er-irt verbunden sind, daß ihre Stromflußrichtung parallel zur oberfläche der Trägerplatte verläuft, und daß die Kontaktdruck en über die Kanten der Trägerplatte geführt sind. Die Erfindung errnörlicht es, zunächst eine feste Einheit aus Trägerplatte und Halbleiterschenkeln herzustellen und erst d;iiii: die Kontaktbrücken anzubringen. Dadurch entfallen die bisher zur Halterung der losen Halbleiterschenkel erforderlichen Vorkehrungen, so daß die Herstellung der elektrischen Verbindungen auch bei einer großen Zahl von Elementenpaaren nur einen relativ geringen Fertigungsaufwand bedingt.

Tit- liaibleiterschenkel sind vorzugsweise mit der Trägerplatte verklebt. Bei Vorrichtungen, die bei höheren Temperaturen arbeiten sollen, kann als Verbindungsmittel mit Vorteil ein Jjcsjct oder Glasemail (unter Verwendung einer Keraiüik-Trägerplatte) dienen. Ferner sind anorganische Kitte, z.H. 'VaFserglüskitte, verwendbar. Man kann jedoch das Ha]bleiter!:ialerial auch unmittelbar auf die Trägerulatte aufdair.p"en, insbesondere dann, wenn besonders kleine Querschnitte

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erwünscht sind. Mit Vorteil 3ind mehrere Trägerplatten, die jeweils Halbleiterschenkel mit p- oder η-Leitfähigkeit tragen, zu e'^!nem größeren Block übereinander geschichtet. Dabei können die jeweils aus einer Trägerplatte mit Halbleiterschenkeln bestehenden Einheiten untereinander ebenfalls verklebt sein. Die Trägerplatte kann auch auf beiden Seiten mit Halbleiterschenkeln belegt sein, derart, daß das Halbleitermaterial auf der einen Seite n-leitfähig, auf der anderen Seite p-leitfähig ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann vorteilhaft in der Weise hergestellt werden, daß die Trägerplatte zunächst mit einer geschlossenen Schicht aus Halbleitermaterial belegt wird und daß aus dieser Schicht die Halbleiterschenkel nachträglich ausgespart werden, z.B. durch Ätzen, Sägen oder Fräsen. Die Herstellung kann ferner dadurch vereinfacht werden, daß zunächst eine größere Ausgangs-Trägerplatte mit Halbleiterschenkeln belegt und dann senkrecht zur Richtung der Halbleiterschenkel in schmälere Streifen unterteilt wird.

Die Figuren A und 5 bzw. 6 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, während die Figuren 1 bis 3 Vorstufen zur Herstellung der thermoelektrischen Vorrichtung erläutern.

In Figur 1 ist mit 1 eine isolierende Trägerplatte bezeichnet.

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;.··:"e kann aus einen schlecht wärmeleitenden Ke ram:;x.nu lerla?. κ.B. gesintertem Aluminiiirasilikat, oder aus einem K^astste f bestehen. Mit der Oberseite der Trägerpläte 1 ist eine Hal^v~ leiterplatte 2 verbunden, z.B. durch Klebung. Die H^lbleii rplstte 2 kann beispielsweise aus η-dotiertem Wisrauttelluri;'· bestehen. Die Dicken beider Platten können in der Größenordnung von Bruchteilen eines Millimeters bis zu einigen l.;.!!,.-IUtH er η liegen. Falls die Halbleiterplatte 2 vor dem Auf-rle ή: Μ oun mechanischen Gründen nicht dünn genug hergestellt κκ ι kann, kann sie zunächst dicker hergestellt und nach dem Aufkleben auf die gewünschte Dicke abgeschliffen werden.

Aus der Halbleiterplatte 2 werden nunmehr gemäß Figur 2 mehrere, parallel zueinander liegende Halbleiterschenkel 2a aus;■.:?- spart. Dies kann z.B. auf chemischem Wege, z.B. durch Atze"··* oder auf mechanischem Wege, z.B. durch Sägen oder Fräsen, geschehen. Die Anordnung nach Figur 2 kann dann durch Sehn.. ' t, | senkrecht zur Richtung der Ilalbleiterschenkel 2a in kleineio, streifenföriuige Einheiten unterteilt werden, von denen eint in Figur 3 dargestellt ist.

In gleicher Weise können weitere Einheiten hergestellt werden, die gemäß Figur 3 ausgebildet sind und uv?, ζ in?:· isolJ.-.--renden Trägerplatte eine Anzahl von Halbleiterachenkeln tragen, die aua p-dotiertem Wisrauttellurid 'τ- "^i en.

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Aus Einheiten dieser Art wird nun ein Block zusammengesetzt, von dem die Figuren 4 und 5 perspektivische Ansichten auf die gegenüberliegenden Stirnseiten zeigen. Der Block umfaßt vier Einheiten. Die unterste Einheit besteht aus einer isolierenden Trägerplatte 3 mit n-leitenden-Halbleiterschenkeln 4. Darüber liegt eine weitere Einheit aus einer Trägerplatte 5 mit p-leitenden Halbleiterschenkeln 6. Es folgen dann eine Trägerplatte 7 mit η-leitenden Halbleiterschenkeln 8 und eine Trägerplatte 9 mit p-leitenden Halbleiterschenkeln 10. Sämtliche Einheiten können durch Verklebung miteinander verbunden sein. Ein Paar von benachbarten p- bzw. n-leitenden Halbleiterschenkeln ist jeweils durch metallische Kontaktbrücke« 11 verbunden, die auf die Stirnflächen der Halbleiterschenkel aufgebracht und über die Kanten der Trägerplatten 3, 5, 7 und 9 geführt sind. Die Kontaktbrücken 11 sind in den Figuren 4 und 5 durch eine Schraffur angedeutet. Mit 12 und 13 sind die äußeren Anschlußkontakte des Blockes bezeichnet, die z.B. aus angelöteten Blechstreifen bestehen können. Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, bilden sämtliche Halbleiterschenkel zwischen den Anschlüssen 12 und 13 eine Reihenschaltung, in der jeweils p-Schenkel mit n-Schenkeln abwechseln.

Die Koutaktbrücken 11 können in der durch die Schraffuren gekennzeichneten Lage in Form einer Metallpaste 'aufgestrichen

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i^c:-v aufgedruckt und in "bekannter ?^veise eingebrannt "f-.ru·-.;. Y-- besteht auch die Möglichkeit, zunächst eine geriet io^e^- ■;!.9.Ί'.'.schicht oder Metallfolie auf die Stirnfläche '-., ;.:. .'■■-■; Γ ^: puren 4 ·:ηα 5 dargestellten Blocken aufzubrin^.-. ; ca· : ^v:. ¹Aölen und die Kontaktbrücken dann durch Ausätze' oder· ^'-ei; en in der gewünschten Form sussuspsren. Ferner κ:.·α:ΐ ■ ■■'Yi '".ie Kontakt brücken durch Aufdampfen mit Hilfe einer ei:·.· .;/eojencen iviaake herstellen; falls erwünscht, können die -•ii'i^ecanipf ten Schichten galvanisch verstärkt werden.

_;1 MUi ueiu in den Figuren 4 und 5 dargestellten Schema können :.uch hlöüke Dit einer wesentlich größeren Anzahl von Einhei-α zusei:.r:;en^enetzt werden. Die Figuren lassen erkennen, d■-:■':■ :.' :-.~, ther-iiceler.irische Vorrichtung dieser Art infolge ihrou -■-■npakten Aufbaus nur wenig Raum beansprucht. Bei großer Zahl ■:.■-.r M'ersceiekirisch wirksamen Schenkelpaare ergibt sich Ir-; -■■'j11 äis reltier-Betriebes eine hohe Anschlußspannung., im ^;-J.l des Seebeck-Betriebes eine hohe Generatorspannung.

Die in den Figuren 4 und 5 vorn liegenden Stirnflächen sind jeweils diejenigen Flächen, über die Wärme aufgenommen bzw, abgegeben wird. Diese Flächen können über möglichst gut wiiriaeleitende isolierende Zvdschenlagen mit "'ärmeaustauschcrr; •rerbH}!i⁷Gn werden.

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In Fi;',ur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hier ist eine isolierende Trägerplatte 14 auf beiden Seiten mit Halbleiterschenkeln 15 bzw. 16 belegt, wobei die Halbleiterschenkel 15 η-leitend, die Halbleiterschenkel 16 p-leitend sind. Die Schenkel sind auch hier durch schraffiert angedeutete metallische Kontaktbrücken 17 verbunden. Mit 18 und 19 sind die äußeren Anschlußorgane bezeichnet. Auch aus Einheiten der in Figur 6 dargestellten Art können größere Blöcke zusammengesetzt werden, wobei zwischen den Einheiten jeweils eine Isolierplatte anzuordnen ist.

6 Figuren

7 Ansprüche

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Claims

Patentansprüche

; 1.) Thermoelektrische Vorrichtung (Wärmepumpe oder 7iier..iogenerator), bei der llalbleiterschenkel und metallische Ko ,tsi brücken auf einer isolierenden Trägerplatte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschenkel (4, 6. 3, 10) unmittelbar mit der Trägerplatte O-, 5, 7, 9) cerfc-t -erbunden sind, duß ihre Stromflußrichtung parallel zur Ober fläche der Trägerplatte verläuft, und daß die Kontaktb'üc_; ^n (11) über die Kanten der Trägerplatte geführt sind.

2. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschenkel mit der Trägerplatte verklebt sind,

5. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trägerplatten, die jeweils Hs. bleiterschenkel mit p- oder η-Leitfähigkeit tragen, su oir..;:-:; größeren Block übereinander geschichtet sind,

4. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch .^kennzeichnet, daß He jeweils <>w^ einer Tr-';*errlirte iii

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i* Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerplatte (14) auf ihrer einen Seite Halbleiterschenkel (15) mit n-Leitfähigkeit, auf der anderen Seite Halbleiterschenkel (16) mit p-Leitfähigkeit

6. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragerplatte (1) zunächst mit einer geschlossenen Schicht (2) aus Halbleitermaterial belegt wird und daß aus dieser Schicht die Halbleiterschenkel (2a) nachträglich ausgespart v/erden, z.B. durch Atzen, Sägen oder Fräsen.

7. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Halbleiterschenkeln (2a) belegte Trägerplatte (1) durch Schnitte senkrecht zurEichtung der Halbleiterschenkel in schmälere Streifen unterteilt v/ird.

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