DE1885546U - Thermoelektrische anordnung. - Google Patents

Description

Thermoelektrische Anordnung

Der Zusammenbau von Thermoelement schenkein (die auf dem Schmelz- oder Sinterwege hergestellt wurden) zu einem thermoelektrischen Gerät erfolgte bisher durch aufwendige und zeitraubende Verfahren, wie Kontaktieren- der Kontaktflächen der Thermoelementschenkel, z.B. durch Verwismuten, evtl. unter Anwendung von Ultraschall, oder durch galvanische Vernicklung und Auflöten von elektrisch leitenden Verbindungsbrücken. Bei.-,der bisherigen Verarbeitung von geschmolzenen oder gesinterten p- und η-Schenkeln war das Aufbringen- von leitenden Lackschicht e;h Vor* der -galvanischen Abscheidung

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von Brücken erforderlich* Beim Verfahren mit galvanischen Brücken können wellige Flächen erhalten werden, die den späteren Y/ärmekontakt auf der kalten bzw. warmen Seite des thermoelektrische!! Blockes beeinträchtigen können. ■ _: ■:

Neuerung . ■

Durch die wird eine neue thermoelektrische Anordnung angegeben, bei der in wirtschaftlicher Hinsicht bedeutend e_ Ersparnisse gemacht werden können. ■ . "

Neuerung ' .

Die betrifft eine thermoelektrische Anordnung zur Kühlung bzw. Erwärmung oder, zur Stromerzeugung, bei der Schenkel mit paarweise gleichen Querschnitten in'Parallelogrammform, insbesondere mit im wesentlichen rechteckiger oder quadratischer Form, vorgesehen und in passender Anordnung"zu einem Block mit Hilfe eines isolierenden organischen oder anorganischen Klebe-

mittels kleiner Wärmeleitfähigkeit zusammengeklebt oder verNeuerung
gössen sind. Gemäß der sind die einzelnen Schenkel derart geformt, daß durch geeignete Zusammenfügung zweier Schenkel eine Kontaktbrücke gebild-et wird. Es können mindestens die Schenkel des einen .ueitungstyps einen oder zwei leistenartige Vorsprünge besitzen. Durch Aufdampfen und/oder Galvanisieren und/oder Aufspritzen und/oder Aufkleben von Metallfolien kann eine metallische Verstärkung der Verbindungsstellen durchgeführt sein. Jeder Schenkel mindestens des einen Leitungstyps kann eine Ausnehmung zur Aufnahme des entsprechenden leistenartigen Vorsprunges des benachbarten Schenkels des anderen Leitungstyps besitzen. Die Ausnehmungen und die entsprechenden leistenartigen Vorsprünge können eine sehwalben-

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schwanzartige Form besitzen. Zur leichteren Einfüllung, des Klebe-/und zur Vergrößerung des Isolierabstandes ■

mittels können die Seitenwände mindestens der Schenkel des einen Leitungstyps eine trichterförmige Erweiterung besitzen. Als Schenkel können gepreßte und gesinterte Fertigformteile■ .verwendet seift.» Als Schenkel können aber auch im Schmelzvorgang hergestellte und" •bearbeitete Teile verwendet sein. * . ; .

In den Figuren 2 bis 13 sind einige Möglichkeiten für die Verbindung von thermoelektrischen Schenkeln gemäß der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt die bisherige Methode.· Bei den Figuren bedeutet A einen Schenkel ohne leistenartige Vorsprünge mit einer bestimmten Leitungsart, beispielsweise mit p-Leitung; der in den Figuren im Querschnitt schraffierte Körper mit der entgegengesetzten Leitungsart (beispielsweise η-Leitung) wird durch ' gekennzeichnet. Mit B ist ein Schenkel angegeben, der einen einzigen leistenartigen-Vorsprung hat und p-leitend ist. B' (im Querschnitt schraffiert) ist dann ein η-leitender Schenkel mit einem leistenartigen Vorsprung. "

Mit C ist ein Schenkel bezeichnet, der zwei leistenartige Vorsprünge trägt und p-leitend ist; der zugehörige Schenkel C, der in den Figuren schraffiert dargestellt ist, trägt ebenfalls zwei leistenartige Vorsprünge und ist n-leitend.

In Fig. 1 ist die bisher übliche Bauweise einer Serie von Thermoelementen dargestellt. P-leitende und η-leitende Schenkel, beispielsweise.abwechselnd angeordnet, werden durch Brücken b in der in der Figur dargestellten Weise verbunden, beispielsweise verlötet. ·

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In. Fig'. 2 ist eine einfache Bauweise iron Thermoelementreihen, nach den Lehren'dieser Erfindung dargestellt« Η-leitende und p- : leitende Schenkel gleicher Größe und gleicher Form (was eine ■Ersparnis an Matrizen ergibt) sind in der in der Figur dargestellten Weise ohne Zuhilfenahme von. Brücken.; verbunden* Je- / doch können die Größen und Formen der beiden Schenkeltypen, auch verschieden sein.

In Fig. 3 sind η-leitende und p-leitende Schenkel mit je zwei leistenartigen Vorsprüngen dargestellt.

In Fig. 4 wird' eine Reihe von Thermoelementen gezeigt, die aus C Körpern (2 Vorsprünge, p-leitend) und aus A^f Körpern (kein Vorsprung, η-leitend) hergestellt ist.

Die Fig. 5 bis 13 verstehen sich nach'diesem Schema van selbst.

In Fig. 10, 11 und 13 sind an den Enden der zwischen zwei Schenkeln entstehenden Schlitze Erweiterungen angegeben, die beispielsweise das Einfüllen des Isoliermittels erleichtern .und den Isolierabstand vergrößern. Auch sind diese Erweiterungen wichtig, um, das Zuwachsen derjenigen Schlitze, die isoliert bleiben sollen, zu verhindern; außerdem tragen die Schenkel in den Fig. 11 - 13 Ausnehmungen zur Aufnahme der entsprechend ausgebildeten Vorsprünge.

In Fig. 12 haben die Schenkel schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen und schwalbenschwanzförmige Vorsprünge.

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In Fig. 13 sind Schenkel verschiedenen Querschnittes dargestellt. Pig. 14 zeigt die"Uhteransicht einer fertiggestellten Platte, Fig. 15 die entsprechende Oberseite.

Pig. 16 dient zur Erläuterung, eines arbeitssparenden Verfahrens zur Herstellung von Thermoelementblöcken (Peltierblöcken). .' . · In Pig. 17 sind die Preß- und Stromrichtung angegeben. ' V An Hand von Pigur 16 wird ein Verfahren zur Herstellung einer "

Neuerung ■

Reihe von gemäß der verbundenen, hintereinandergeschalteten Thermoelementschenkel·!! beschrieben. Stangen thermoelektrische Materials mit Querschnitten entsprechend den Figuren 2 bis 13, abwechselnd mit p- und n-leitung (in der Pigur 16 mit B und B' bezeichnet), werden· mit "Hilfe eines Klebemittels 20 zu einem flachen, ebenen Körper verklebt. Von diesem Körper werden durch Schnitte senkrecht oder angenähert senkrecht zur Längsausdehnung des ebenen Körpers Reihen von verklebten, hintereinander geschalteten Thermoelementen bzw. Thermoelementschenkeln abgetrennt. Mehrere solcher Reihen werden durch ein isolierendes Klebemittel zu einem Block zusammengeklebt, etwa wie es in den Pig." 14 und 15 dargestellt ist. Zur Kontaktierung werden auch hier Metallstreifen in der schon beschriebenen Art aufgebracht. Dieses Verfahren ermöglicht es, in sehr arbeitssparender Weise Thermo eiernentbBcke herzustellen.

Die elektrisch leitende Veraintung^ewir^\3urc& bekannte Maßnahmen metallisch verstärkt wie z.B. durch Aufdampfen, galvanische Abscheidung, Aufspritzen und/oder durch Aufkleben von metallischen Folien. Dabei werden auf den Kontaktflächen (Endflächen der Schenkel) metallische Schichten gebildet. Nach den bis-

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herigen Messungen sollen die Schichten aus 'Kupfer oder einem anderen gut leitenden Metall oder einer Metallegierung eine Dicke· von 100 bis 500 /u aufweisen. Im Falle einer Verstärkung der Brücken durch Bedampfung wird eine Maske aufgesetzt,, die auf d"en beiden Kontaktflächen Ausschnitte für die Brücken trägt. Zunächst kann ein Metall wie nickel oder Eisen oder Molybdän in einer Schichtdicke von 1 bis 5 /U aufgedampft werden. Darauf wird-ein zweites Metall wie Kupfer, Silber oder Aluminiumin einer Stärke bis zu 500 /u aufgedampft. Die Bedampfungs- vorgänge können in einer Durchlaufapparatur in unmittelbar aufeinander folgenden Schritten durch Bedampfen mittels zweier getrennter Bedampfer erfolgen. Die Platten werden bei dieser Apparatur ein- und ausgeschleust,so daß ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet ist. Die Al-Brücken können nachträglich eloxiert werden, wobei eine elektrisch nicht leitende dünne Oxydschicht entsteht, die einen ausgezeichneten Wärmekontakt bietet.

Werden die. Brücken galvanisch abgeschieden, so werden die Schenkel, gemäß Figur 14 angeordnet, mit einem isolierenden Kunststoff zu einer Platte vergossen. Die Oberflächenreinigung vor der Abscheidung der galvanischen Schichten erfolgt durch chemische Reinigung mit Lösungsmitteln, Säuren oder Laugen, elektrochemisch durch elektrolytisch^ Bäder oder durch mechanische Reinigung (Schmirgeln bevorzugt auf nassem Korundleinen). IJm die elektrische Leitung der sich berührenden Schenkel zu verbessern, kann über die Berührungszonen eine dünne Leitlack-

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schicht aufgetragen werden. Die galvanische Abscheidung einer Nickelschicht auf dem Halbleiter erfolgt "bevorzugt aus sauren Bädern. Die Nickelschicht verwächst gut mit der rauhen Oberfläche des Halbleiters und füllt die Oberflächenhohlräume ·■ aus. Die Nickelschichtdicke beträgt zwischen 3 bis 5 /U« Auf die Nickelschicht wird aus saurem Kupferbad eine.bis 500 /U starke Kupferschicht abgeschieden. Eine bis 10 mm starke Stromblende um die Platte führt zu einer gleichmäßigen Stromdichteverteilung und dadurch zu einer gleichstarken Schicht.

Beim Aufspritzen der Brücken werden meist mehrere verschiedene Metallschichten verwendet, wobei die erste Schicht aus Mo oder Ni in einer Schichtdicke von etwa 50 /u besteht und darauf eine Kupferschicht mit einer Schichtdicke von bis 1 mm gespritzt wird. Zum Aufspritzen ist eine Spritzpistole geeignet, bei der das zu spritzende Metall in Pulverform mit einer Korngröße um TOO ax verwendet wird. Bevorzugt wird eine Spritzpistole, die einen Plasmastrahl erzeugt. Beim Spritzen der Brücken ist es zweckmäßig, die Isoliertrennschichten zwischen den Schenkeln etwa um die Brückendicke über die Schenkeloberfläche hochzuziehen.

Der Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln ist mit einem elektrischen Isolierstoff kleiner Yfarmeleitfähigkeit ausgefüllt. Diese Stoffe können z.B.. ein organischer Klebstoff oder ein Glas in kompaktem-- oder porösem Zustand oder eine

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Folie aus organischem Material (Papier) oder anorganischem Material (Asbestfolie) sein. Die Dicke der Isolierstoffschicht kann kleiner als 0,5 m, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm, sein» Zweckmäßiger Weise werden die Schenkel ü"ber einen' '.. Klebstoff mit dem Isolierstoff zusammengehalten, wobei ■ .;■"." der Klebstoff selbst die Isolierschicht bilden kann. Die

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Kontaktflächen' sind durch eine der angegebenen Maßnahmen metallisch verstärkt. Fig.' 14 zeigt die Unteransicht einer '._ thermoelektrische!! Anordnung zur Kühlung, die aus 62 Thermoelementschenkeln (31 p- und 31 n-Schenkel) und 2 Zuführungsstellen besteht. Fig.. 15 zeigt die Ansicht der Platte von oben, in beiden Fällen sind die metallisch verstärkten Brücken sichtbar. In beiden Ansichten, sind je ein p- und n-Schenkel gestrichelt eingezeichnet.

In den meisten Figuren haben die·Proben etwa Würfelform und beide Schenkel (p und n) haben den gleichen Querschnitt.'Die Querschnitte für die p~ und n-Schenkel können jedoch verschieden sein. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die elektrischen Leitfähigkeiten der beiden Schenkelmaterialien stark voneinander abweichen. In diesem Fall kann die Dimensionierung so festgelegt werden, daß beide Schenkel gleichen Widerstand haben (Querschnitte verschiedene Rechtecke oder ein Schenkel quadratisch). Es können jedoch auch andere Querschnittsformen wie Parallelogramme oder Dreiecke Verwendung finden.

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Beispiel; /

Aus 31 P- und 31 η-Schenkeln der Dimension 5x5x5 mnr wird eine thermoelektrische Kühlplatte zusammengebaut. Das p-Material besteht aus einer Legierung von 30 Mol.$ BioTe, und 70 Mol»$ SbgTe,, der 3 Gew.fo Te und 0,075 Gew.?& Pb als Dotierung zugesetzt ist. Die η-Legierung besteht aus 80 Mol;$ BigTe-x» 20 MOlV^ Bi2Se, und einer Dotierung von 0,075 Gew.fo GuBr. Beide Legierungen werden aus den Komponenten der Reinheit 99»99 °/° durch Zusammenschmelzen in einem evakuierten abgeschmolzenen Quarzrohr ; " hergestellt. ' ■

Nach dem Zerkleinern und Absieben der Korngrößen der p-Legierung kleiner als 0,5 mm, der η-Legierung zwischen 0,06 und 0,5 mm

2 werden die Pulver in einer Stahlmatrize mit 4 t/cm verpreßt, so daß der Vorsprung des Schenkels in der Preßfläche liegt (Pig. 17). Nach dem Zusammenbau der Schenkel zu einer Kühlplatte erfolgt die Stromrichtung ^senkrecht zur Preßrichtung P. Die Preßhöhe beträgt 5 mm. Die Preßkörper aus dem p-Material werden 5 Stunden lang, die aus 'dem n-Material 2 Stunden lang bei 380° C in reinem Y/asserstoff gesintert. Die liigensehaftswerte der Schenkel werden bestimmt zu: (η-Schenkel) &L= -160 /uV/Grad, 6^- 1Ο5θΠ~ cm~ ; (p-Schenkel) 't = + 180 /UV/Grad , 6^= 11 00Ü~¹cm~¹.

Die Schenkel werden so in eine Form gelegt, daß jeweils ein p- und ein η-leitender Schenkel aufeinanderfolgen und durch Brücken alle Schenkel in Serie geschaltet sind. Danach werden die Zwischenräume zwischen-den Schenkeln mit Araldit ausgegossen und das

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Araldit bei 180° während 2 Stunden gehärtet. Mr das Zusammen-' kleben der Schenkel kann auch ein, porenbildender, härtbarer Kunststoff kleiner Wärmeleitfähigkeit verwendet werden« Nach" dem Härten des Kunststoffes kann die Platte der Form entnommen werden. Die beiden Außenflächen können, falls erforderlieh, noch abgeschliffen werden. Infolge der. hohen Genauigkeit der Sinter--. körper ist dies im allgemeinen nicht erforderlich. Danach wer- ' den die Oberflächen gereinigt und 3-5 /u starke Mckelschichten '"'-'".

an den Schenkelöberf lachen -und an den Brückenstellen galvanisch 'abgeschieden. Auf die Uickelschicht wird galvanisch -eine .200 vu starke' Kupfersehicht abgeschieden. Der G-e samt widerstand des Kühlsystems beträgt 110 mOhm, das entspricht einem Wert von 3,54 mOhm für ein Thermoelement, wobei das Element aus einem p- und einem n-Schenkel sowie 4 Kontaktflächen einschließlich der den P- und n-Schenkel verbindenden Brücke besteht. Demgegenüber w.ird bei einem System mit verwismuteten Schenkeln und angelöteten 1,5 mm starken Kupferbrücken ein Wert von 3,9 mOhm/Thermoelement gemessen.

Ein Kühlversuch ergibt bei -16 A eine Temperaturdifferenz von 50- C, wobei die warme Seite eine Temperatur von 40 C hat. Damit wird der Wert der Temperaturdifferenz für die bisher nach anderen aufwendigeren Verfahren hergestellten Kühlblöcke überschritten. .

Das thermoelektrische Gerät kann als Kühlplatte verwendet werden, indem an die Stromzuführungen eine Gleichspannung angelegt wird. Durch einen Temperaturfühler und an sich bekannte Schaltun-

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gen kann durch Stromumpolung eine durch das Regelglied einzustellende Temperatur gehalten werden. In diesem Pail wird das thermoelektrische Gerät als Thermostat verwendet. Wirken auf die "beiden Kontaktflächen verschiedene Temperaturen ein, so entsteht an den Anschlußklemmen eine thermoelektrische·Spannung, und /beim ■ Anschließen eines Verbrauchers fließt über den Verbraucher ein ."-, thermoelektrischer Strom. In diesem Fall ist das thermoelektrische Gerät als Stromerzeuger (Energieumformer) eingesetzt.

Schutz
8 ansprüche

17 Figuren

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Claims (8)

•A.GS9154*5110 PLA 61/1636 Schutz -an g ρ rüc he

1. Thermoelektrische Anordnung zur Kühlung bzw. Erwärmung oder zur Stromerzeugung, bei der Schenkel mit paarweise gleichen Querschnitten in Parallelogrammform,' insbesondere· mit im we- " sentlichen rechteckiger oder quadratischer Form, vorgesehen und in passender.Anordnung zu einem Block mit Hilfe eines · isolierenden organischen oder anorganischen Klebmittels kleiner Wärmeleitfähigkeit zusammengeklebt oder -vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schenkel derart geformt sind, daß durch geeignete Zusammenfügung zweier Schenkel eine Kontaktbrücke gebildet wird.

2. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Schenkel des einen Leitungstyps einen oder zwei leistenartige Vorsprünge besitzen (Pig. 2 bis 13)

3. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufdampfen und/oder Galvanisieren und/oder Aufspritzen und/oder Aufkleben von Metallfolien eine metallische Verstärkung der Verbindungsstellen durchgeführt ist (Fig. 14 und 15).

4. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden An- sprüche,'dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel mindestens des einen Leitungstyps eine Ausnehmung zur Aufnahme des entsprechenden leistenartigen =» Vorsprunges des benachbarten

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Schenkels des anderen Leitungstyps besitzt (Pig. .11 * «12, 13).

5. ThermQelektrische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen und die entsprechenden leistenartigen Vorsprünge eine schwalbenschwanzartige Form besit- '''"* zen (Fig. 12). . .

6« Thermoelektrische Anordnung; nach einem der vorhergehenden ^;' ' ; Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur leichteren Ein- *·" füllung des Klebmittels und zur Vergrößerung des' Isolierabstandes die Seitenwände mindestens der Schenkel des einen Leitungstyps eine trichterförmige Erweiterung besitzen (Fig. 10, 11 und 13). .

7. Thermoelektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schenkel gepreßte und gesinterte Fertigformteile verwendet sind.

8. Thermoelektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, •dadurch gekennzeichnet, daß als Schenkel im Sehmelzvorgang hergestellte und bearbeitete Teile verwendet sind.

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