DE1902675A1 - Thermoelektrische Einrichtung - Google Patents

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority,

11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Hr, 3298/68 vom 22. Januar 1968 beansprucht,

Thermoelektrische Einrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf themoelektrisohe Einrichtungen oder Geräte der Art, bei welcher eine Mehrzahl von statföraigen theraoelektrisohen Bauteilen, beispielsweise aus p- oder n-Type-Halbleiteraaterial, in einer Parallelbaugliedanordnung vorgesehen und in elektrisch isolierende« Material eingebracht sind, um ein Model bzw. einen "Baustein" /module/ (nachstehend "Model" genannt) zu bilden, wobei die

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Enden der thermoelektrischen Bauteile in Paaren·elektrisch miteinander verbunden sind, um eine Serienanordnung mit Hilfe von Metallkontaktstegen oder -streifen zu bilden. Solche thermoelektrischen Model werden allgemein als thermoelektrische Kraft- bzw. Leistungsgeneratoren oder als thermoelektrische Kühlungseinrichtungen verwendet.

Auf vielen Anwendungsgebieten müssen solche thermoelektrischen Einrichtungen über lange Zeiträume, beispielsweise bis 10 Jahre, mit höchstmöglicher Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit in Betrieb sein. Typische Anwendungsmöglichkeiten dieser Art sind bei iaotopisohen Leistungsgeneratoren für Seefahrt- und Luftfahrt-liavigationshilfsmittel, TJnterwasser-Kabelverstärker und abgelegene (entfernte) — oft unbediente — Vetteretationen vorhanden·

Thermoelektrische Model können mit einer Anzahl thermoelektriecher Bauteile, beispielsweise aus Halbleiter-Material, konstruiert bzw· vorgesehen werden, die in Parallelanordnung verwendet werden und elektrisch in Eeihe geschaltet sind, um den gewünschten Leistungsauegang zu schaffen, In einem Model, das beispielsweise 1oo separate therneelektrische Bauglieder aufweist, müssen 200 separate Kontakte vorhanden sein, einer an jedem Ende jedes Bauteils» Teilweise oder völliges Vertagen irgendeines Kontaktes /of any one contact/ oder irgendeine« Baugliedes innerhalb de* Modele kann die Leistungsabgabe bzw. den Leistungsausganf deaeelben wesentlich verringern, während völliges Versagen an biw* bei irgendeinen Xontakt /at any contact/ oder an bzw. auf irgendeinen Bauglied ein völlige« Versagen de« Model« «ur folge hat. Solohe fehler können innerhalb der thermo-•lektriaohtn Bauteil« selbst als folge von Mikroriesen /nioro-crack·/ innerhalb de« thermoelektrische!! Material«

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auftreten. Diese Mikrorisse können währen des Betriebe entstehen, insbesondere unter dem Einfluß von Temperaturzyklen, und können eine Erhöhung im Widerstand des Baugliedes zur Folge haben. Im schlimmsten Fall kann ein vollständiger Offen-Kreis bzw. eine Unterbrechung an der Rißstelle entstehen. Außerdem können Isolierfehler /isolated faults/ an der Zwischenfläche zwischen dem Ende eines der thermoelektrischen Bauteile und dem Kontaktsteg entstehen, welcher es mit dem angrenzenden thermoelektrischen Bauteil elektrisch verbindet. Solche Khler können sich aue lokaler Inhomogenität des thermoelektrischen Materials an dieser Stelle ergeben oder können möglicherweise auf Herstellungsfehler zurückzuführen sein. Die Folge ist eine Erhöhung im Kontaktwiderstand an dieser Stelle oder — im schlimmsten Fall — die Bildung einee Offen-Kreises, der wiederum den gesamten Model außer Betrieb setzt.

Durch die Erfindung wird ein thermoelektrischer Model geschaffen, der eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen aufweist, wobei an jedem Ende von diesen Kontaktetegmitteln bzw. Kontaktvorrichtungen für das Verbinden der Elemente zu einer Serienanordnung von Thermoelementen vorgesehen sind, wobei jedes thermoelektrische Element zwei oder mehr thermoelektrische Bauteile oder -glieder aufweist und wobei die Bauteile oder -glieder, die jedes thermoelektrische Element bilden, mit den Kontaktategmitteln parallelgeschaltet sind. Durch eine solche Konstruktion hat ein teilweises oder völliges Versagen irgendeines Baugliedes oder irgendeines Kontaktes mit einem Bauglied nicht ein völliges Versagen des Models, sondern nur einen etwas reduzierten Ausgang, zur Folge.

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Vorzugsweise weisen die thermoelektrischen Bauteile oder -glieder p- oder n-Type-Halbleitermaterial auf, das so angeordnet und eingerichtet ist, daß die Bauteile oder -glieder, die irgendein Element bilden, von der gleichen Halbleitertype sind, und so, daß Elemente der η-Type mit ^lementen der p-Type verbunden werden, um die Anordnung der Thermoelemente zu bilden. Vorzugsweise sind die thermoelektrischen Elemente in isolierendem Material eingekapselt, eingehüllt oder sonstwie eingebracht.

Spezifische Bauarten des thermoelektrischen Models, bei welchen die Erfindung zur -Anwendung kommt, werden nunmehr anhand der die Erfindung beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des thermoelektrischen Models,

Fig. 2 eine Ansicht von oben des Modele der Fig. 1, Fig. 3 eine Ansicht von unten des Models der Fig. 1,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines thermoelektrischen Models, der die Erfindung benutzt,

Fig. 5 eine Ansicht von oben des Models der Fig. 4, Fig. 6 eine Ansicht von unten des Models der Fig. 4, während

Fig. 7 eine Teilansicht eines anderen thermoelektrisohen Modele, der die Erfindung enthält, wiedergibt.

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Die Figuren 1, 2 und 3 veranschaulichen einen thermoelektrischen Model, bei welchem nicht die Erfindung benutzt wird, sondern welcher zunächst beschrieben wird, um das Problem darzulegen, dessen Lösung vollständig oder wenigstens zum Teil durch die Erfindung angestrebt wird. Der Model weist eine Mehrzahl von quadratischen (mit quadratischem Querschnitt) stabähnlichen Bauteilen oder -gliedern 10, 11 aus p- und n-Type-Halbleiter-Thermoelektro-Material /p- and η-type semiconductor thermoelectric material/ auf, das in einer Parallelanordnung vorgesehen und in ein elektrisch isolierendes Material eingekapselt bzw. eingebracht ist, welches — wenn auch nicht ä dargestellt — als eine dünne Schicht oder Auflage zwischen jedem thermoelektrischen Bauteil vorhanden ist und dazu dient, solche Bauteile sowohl gegeneinander zu isolieren als sie auch als einen festen (kompakten) Block mechanisch zusammenzuhalten. Die Bauteile 10, 11 aus p- und η-Type thermoelektrischem Material werden abwechselnd Seite an Seite angeordnet und elektrisch verbunden bzw. in Reihe geschaltet an ihren entgegengesetzten Enden, mit Hilfe von Kontaktstegen oder -streifen 12, wobei solche Kontaktstege natürlich gegeneinander elektrisch isoliert sind, wie aus fig. 1 erkennbar ist. Der Einfachheit halber ist eine solohe Trennung zwischen Kontaktstegen in den Fign, 2 und 3 nicht dargestellt.

Jedes grobe Versagen /gross failure/ in irgendeinem der Bauglieder 10, 11, wie beispielsweise am Punkt A angedeutet, hat unweigerlich die Bildung eines Offen-Kreises bzw, eine Unterbrechung innerhalb des Models zur Folge und bringt sein völliges Versagen mit sich. Ein ähnliches grobes Versagen an einer Zwischenfläche zwischen irgendeinem Bauglied 10 oder 11 und seinem zugehörigen Kontaktsteg 12 hat, wie bei der Position B angedeutet, ähnlich einen Offen-Kreis und völliges Versagen des Models zur Folge. Teilweises Versagen an einem bzw. beiden /either/ dieser Punkte bringt zwangsläufig ein Vermindern des Ausgangs vom Model her mit sich, wobei das Ausmaß und die Verminderung /reduction/ vom zusätzlichen Widerstand abhängig ist, der durch das teilweise Versagen entsteht,

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Die Fign. 4, 5 und 6 zeigen einen thermoelektrischen Model, der die Erfindung enthält, bei welchem jeder der thermoelektrischen Bauteile 10, 11 der Bauart, die in den Fign. 1 Ms 3 dargestellt ist, durch ein thermoelektrisches Element ersetzt ist, das ein Paar von ähnliclien oder gleichen thermoelektrischen Bauteilen 10a, 10b oder 11a, 11b aufweist, die Seite an Seite vorgesehen sind und untereinander und mit dem ähnlichen bzw. gleichen Paar von parallelen Halbleiter-Bauteilen .entgegengesetzter thermoelektrischer Material-Type mit Hilfe von Kontaktstegen, wie bei 12a dargestellt, parallel verbunden bzw. parallelgeschaltet sind. Völliges Versagen innerhalb irgendeines thermoelektrischen Bauteils, wie bei A angedeutet, oder an einer Zwischenfläche zwischen irgendeinem Bauteil und seinem angrenzenden Eontaktsteg, wie bei B dargestellt, hat nur eine relativ geringe Minderung des Ausgangs vom Model her zur Folge, da ein alternativer und nicht beeinträchtigter bzw. nicht in Mitleidenschaft gezogener elektrischer Weg durch den anderen thermoelektrischen Bauteil des Paars hindurch bestehen bleibt. Ein lediglich teilweises Versagen in irgendeinem solchen Bauteil ruft eine noch weniger ernste Reduzierung bzw. eine noeli geringfügigere Verminderung des Ausgangs hervor.

In den ffign. 4, 5 und 6 ist jedes der tliermoelektrischen Bauteile 10a, 10b, 11a, 11b in der Weise dargestellt, daß es die gleiche Querschnittsfläche aufweist wie diejenige jedes der einzelnen Bauteile 10, 11 der Pign. 1,2 und 3; dies hat zweifellos ein Anwachsen der Größe des thermoelektrischen Models für den gleichen Spannungsausgang zur 3?olge, da die doppelte Anzahl von Bauteilen unterzubringen ist. Der Stromausgang wird natürlich entsprechend erhöht. Falls diese Erhäungen nicht gewünscht oder erforderlich sind, dann kann die Quersohnittsflache jeder der parallelgeschalteten Gruppen ähnlicher bzw. gleicher thermoelektrischer Bauteile 10a, 10b oder 11a, 11b, die dazu benutzt werden, jeden der einzelnen

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Bauteile 10, 11 der Fign. 1, 2 und 3 zu ersetzen, von entsprechend reduzierter Querschnittsfläche gewählt sein. Eine weitere Konstruktion bzw. Bauart, bei welcher vier ähnliche thermoelektrische Bauteile 10a, 10b, 10c, 1Od, 11a, 1Tb, 11c und 11d dazu "benutzt werden, jeden der einzelnen Bauteile 10, 11 in den Pign. 1, 2 und 3 zu ersetzen, ist in Teilansicht in ffig. 7 dargestellt. Jeder Kontaktsteg 12b erstreckt sich nun über die und ist in Kontakt mit den Enden von acht thermoelektrischen Bauteilen.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Einzelheiten der voraufgeführten Ausführungsbeispiele.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Besohreibung und Zeichnung offenbart sind.

Pat entanspräche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Thermoelektrisch.es Gerät (Model), welches eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen aufweist, wobei an jedem Ende von diesen Kontaktstegmitteln für das Verbinden der EIemente zu einer Serienanordnung von Thermoelementen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes thermoelektrische Element zwei oder mehr thermoelektrische Bauteile oder -glieder (10a, 10bj 11a, 11b; 10a, 10b, 10c, 1Od; 11a 11b, 11c, 1Td) aufweist, und daß die Bauteile oder -glieder, die jedes thermoelektrische Element bilden, mit den Kontaktstegmitteln (12a; 12b) parallelgeschaltet sind.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoelektrischen Bauteile oder -glieder (10a, 10b; 11a, 1.1b; 10a, 10b, 10c, 1Od; 11a, 11b, 11c, 11d) p- oder n-Type-Halbleitermaterial aufweisen, das so angeordnet und eingerichtet ist, daß die Bauteile oder -glieder, die irgendein Element bilden, von der gleichen Halbleitertype sind, und so, daß Elemente der η-Type mit Elementen der p-Type verbunden werden, um die Anordnung der Thermoelemente zu bilden.

   5. bereit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß' die thermoelektrischen Elemente in isolierendem Material eingekapselt bzw. eingebracht sind.

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