DE2016554B2

DE2016554B2 - Schenkel aus halbleitermaterial fuer eine thermoelektrische waermepumpe und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2016554B2
Application number: DE19702016554
Authority: DE
Inventors: Dick Widakowich Manus Bromma Lundqvist (Schweden)
Original assignee: Allmanna Svenska Elektnska AB, Vasteraas (Schweden)
Priority date: 1969-04-08
Filing date: 1970-04-07
Publication date: 1973-06-20
Also published as: DE2016554C3; US3610997A; SE337409B; DE2016554A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schenkel aus Halbleitermaterial nebst Herstellungsverfahren für eine thermoelektrische Wärmepumpe, dessen erste Kontaktelektrode kolbenartig ausgebildet, mit einer Schicht aus Halbleitermaterial von im wesentlichen konstanter Dicke umgeben und in einer becherförmigen /weiten Kontaktelektrode eingebettet ist. bei dem die beiden Kontaktelektroden mit dem Halbleiiermaterial in gutem elektrischen und thermischen Kontakt stehen und bei dem an der Eintrittsstelle der eisten Kontaktelektrode in die zweite Kontaktelektrode der achssenkrechte lichte Querschnitt der zweiten Kontaktelektrode kleiner ist als der entsprechende «roßte Querschnitt dieser Kontaktelektrode.

Solche Schenkel aus Halbleitermaterial werden z.B. in therinoelektrischen Anlagen verwendet, die zum Kühlen oder Erwärmen eines fließenden gasförmigen Mittels oder zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie dienen. Jeder Schenkel steht dabei auf beiden Seiten in elektrischem und thermischem Kontakt mit einem Wärmeaustauschkörper: eine große Anzahl von Schenkeln und Wiiimeausiauschkörpern ist zu einer Einheit zusammengebaut. Das Halbleitermaterial solcher Schenkel, z.B. Wismuttellurid. ist im allgemeinen sehr empfindlich gegen Zug- und Schubspannungen. wie sie oft beim Zusammenbau der Schenkel zu großen Einheilen entstehen. Solche Spannungen können auch im Betrieb bei Anlagen auftreten, die Beschleuniizunszcn. Verzögerungen oder Vibrationen ausgesetzt sind, wie z. B. auf Fahrzeugen.

Aus der schweizerischen Patentschrift 437 452 ist ein Verfahren zur Herstellung von Schenkeln der eingangs erwähnten Art bekannt mit dem Ziel, einen guten Kontakt zwischen dem Halbleitermaterial und die Kontaktelektroden bildenden Metallwänden zu erreichen. Die Melallwände bestehen dabei aus dünnwandigen Rohren oder anderen geometrischen Gebilden. Der enge Kontakt zwischen Metall und Halbleitermaterial wird durch Ziehvorgänge hergestellt. Es werden dünnwandige Elektroden verwendet, und teilweise sind die inneren Elektroden mit

einem spaltbaren Material gefüllt. Das Halbleitermaterial wird entweder in Pulverform zwischen die Kontaktelektroden eingebracht und durch Pressen verdichtet, wobei eine Sinterung erfolgen kann, oder es wird in geschmolzener Form eingebracht. Mit dem bekannten Verfahren wird bezweckt, Lockerungen der Kontaktflächen infolge einer Wärmedehnung zu \ erhindern. Die bekannten Schenkel dienen weder dem Zweck noch sind sie dazu geeignet, starken mechanischen Beanspruchungen des Halblcitermaterials zu begegnen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgegenüber auf Schenkel der eingangs erwähnten Art, die starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei L-mem Schenkel der eingangs erwähnten Art die Schicht aus Halbleitermaterial \on mechanischen Zugspannungen freizuhalten.

Zur Losung dieser Aufgabe wird ein Schenkel der . -.igangs erwähnten Art vorgeschlagen, der dadurch ivkenn.-viclinet ist. daß an der Eintritts« teile der er- yi.ii Kontaktelektrode in die zweite Kontaktelektrode der adissenkrcchte Querschnitt der ersten Kontaktelektrode kleiner ist als der entsprechende größte Querschnitt dieser Kontaktelektrode und daß die I ialhk-iiermaterialschicht in Achsrichtung der Kont.iktelekiroden unter Driiekspannun» stellt. Bei dem Schenkel nach der Erfindung werden die mechani- -chcti Beanspruchungen als Druckspannungen aufgenommen, gegenüber denen das Halbleitermaterial relativ unempfindlich ist.

Nach der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung der eben beschriebenen Schenkel vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist. daß das Halbleitermaterial in geschmolzener Form in den /'Aischenraum /wischen den Kontaktelektroden eingeführt wird. Ein weiteres Hersiellunusverlahren »eiiiiiß der Erfindung, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in Pulverform zwischen die koniaktelektroden eingefüllt und mit Hilfe eines rohrförmigen Preßwerk/euges komprimiert wird, das in den Spalt zwischen den Kontaktelektroden eingeführt wird und auf das Halbleitermaterial und die erste Kontaktelektiode eine Druckkraft ausübt.

An 1 land der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll u'.c Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen drei verschiedene Ausführungsbeispiele eines Schenkels.

Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Schenkel aus Halbleitermaterial hat zwei Kontaktelektrode!! 1 und 2. Die Kontaktelektrode!! können aus Kupfer oder einem anderen Material mit gutem elektrischen und thermischen Leitiingsvermögen bestehen.

Die eiMe Kontaktelektrode 2 ist kolbenartig in Form einer Keule ausgebildet. Ihr größter Durchmesser ist nur wenig kleiner als der kleinste lichte Durchmesser der zweiten Kontaktelektrode 1. Die Kontaktelektrode 1 ist rund und becherförmig ausgebildet. Der lichte Durchmesser am Becherrand ist kleiner als der größte Durchmesser der Becheröffnung. Der ι )ifnungsi|uerschnilt nimmt vom größten Durchmesser bis z..;n Rand hin allmählich ab. Beide Kontaktelektrode!! 1 und 2 sind im übrigen so geformt, daß eins zwischen ihnen liegende Halbleitermaterial 3 einen becherförmigen Körper etwa gleicher Wandstärke bildet. Das Halbleitermaterial kann z. B. aus WismuHcllurid bestehen.

Jede Kontaktelektrode hat einen Ansatz 11 bzw. 21 füi den Anschluß an nicht gezeigte Kühlkörper bzw. die Wärme weiterleitende Körper. Diese Ansätze können wie gezeigt konisch sein, um sie in entsprechende Löcher im Kühlkörper einpressen zu können, oder auch zylindrisch und Gewinde zum Einschrauben in die Kühlkörper haben.

Da die Halbleiiermaterialschicht 3 und die Konlaktelektroden 1 und 2 einen zum Rande der Kontaktelektrode 1 hin kleiner werdenden Querschnitt haben, wird das Halbleitermaterial im wesentlichen nur Druckbeanspruchungen ausgesetzt, wenn auf die Kontaktelektrode! Druck- oder auch Zugkräfte einwirken.

Ein Schenkel gemäß Fig. 1 wird so hergestellt.

daß die Kontaktelektroden 1 und 2 zuerst in die gewünschte Lage zueinander gebracht werden und dai ■', das Halbleitermaterial in geschmolzener Form in den Zwischenraum zwischen den Koniaktclckiroden eingegossen wird. Das Iu.- diesen Zweck übliche Haibleilermaterial dehnt sich beim Erstarren aus. so daß man nach dem Ersinnen einen hohen Druck zwischen den Kontaktelektroden und o.:m Material er'-alt, was einen niedrigen elektrischen und thermischen Widerstand und eine gute mechanische Eestigkeil ergibt. Zug- und Schubspannungen können im Halbleitermaterial erst nach Abbau der Druckspannungen auftreten.

Bei dem Schenkel nach F i g. 2 sind die K-i:itaklelektroden 1 und 2 so ausgebildet, daß die Halbleitermaterialschicht 3 die Form eines zylindrischen Bechers mit gewölbtem Boden erhält. Die kolbenartige Kontaktelektrode 2 ist im Durchmesser abgesetzt und hat einen aus dem Schenkel herausragenden Ansatz 21 mit erheblieh kleinerem Querschnitt als der innerhalb der Halbleitermaterialschicht 3 liegende Teil. Auf der so gebildeten Schulter 13 liegt eine Scheibe 4 und ein Rinu7 aus isolierendem Material. z.B. aus einem Kunststoff oder aus eloxiertem Aluminium. Auf der Scheibe 4 liegt eine elastische Scheibe?. z.B.

aus Silikontiuninii. und darüber eine SiahKcheibe 6. Der Rand 12 der Kontaktelektrode 1 ist nach innen umgehördeli und so gegen die Scheibe 6 gepreßt, daß eine Druckkraft auf die Elektrode 2 und auf das Halbleitermaterial 3 ausgeübt wird. Hierdurch kann der Schenkel Zugkräfte aufnehmen, ohn·.: da 1:1 das i lalbleitennaterial gefährlichen Zugbeanspruchungen ausgesetzt wird.

Die Scheiben 4, 5. 6 und der Ring 7 haben die Aufgabe, die Druckkraft von dem unigebördelten Rand 12 auf die Elektrode 2 und den Halbleiterkörper zu übertragen und durch die Elastizität des Ringes 5 die Druckkraft weniger abhängig von kleineren DiniensionsverandcPingen zu machen, die bei variierender Temperatur der Schenkelleile auftre>e:i könnon. Die aus den genannten Scheiben bestellende Anordnung kann auch in anderer Weise ausgeführt werden. Der Ring7 kann z. B. durch eine isolierende Oxydschicht auf dem Ansatz 2j ersetzt werden; die Scheibe 4 kann aus eloxiertem Aluminium oder aluminiumoxyc'Mbcrzogcnem Stahl bestehen. Die elastische Scheibe 5 kann eine Federscheibe sein oder auch ganz fortgelassen werden, wenn die Elastizität des Schenkels im übrigen ausreichend groß ist. Genauso kann der umgebördelle Rand 12 der Kontaktelcktrodc 1 durch einen besonderen Ring ersetzt werden, der auf die Kontaktelektrode 1 aufgeschraubt oder aufgepreßt wird.

Ein Schenkel gemäß F i g. 2 kann z.B. so hergc-

stellt werden, daß man das Halbleitermaterial in Pulverform in den Hohlraum zwischen den Kontaktelektroden 1 und 2 einführt. Durch ein rohrförmiges Preßwerkzeug wird eine Druckkraft auf das Halbleitermaterial in dem Zwischenraum zwischen den Kontaktelcktroden und gleichzeitig auf die Kontaktelektrode 2 ausgeübt. Hierdurch erhält man die gewünschte Kompression des Pulvers, wonach der Schenkel auf Sintertemperatur erwärmt wird, entweder unter Aufrechterhaltung des Druckes oder auch ohne Druck. Nach erfolgter Sinterung werden die Scheiben 4 bis 6 und der Ring 7 angebracht, wonach der unter Aufrechterhaltung des Druckes oder auch gegen die Scheiben gepreßt wird. Alternativ kann vor dem Sintern das Druckwerkzeug entfernt, die Scheiben aufgesetzt und der Rand 12 umgebördelt werden. Die beschriebene Methode hat den Vorteil, daß man eine Druckkraft auf das Halbleitermaterial erhält, die auf den größten Teil des Halbleitermaterials winkelrecht zu der Richtung des Stroms wirkt, was gute thermoelektrische Eigenschaften für das Material ergibt.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Halbleitermaterialschicht 3 die Form eines Zylinders 5 ohne Boden hat. Um eine elektrische und thermische Isolierung zwischen den Kontaktelcktroden zu erhalten, ist eine isolierende Schichte auf dem Boden des Hohlraumes der Kontaktelektrode 1 angeordnet. Die der Halbleivermaterialschicht zugewandten

ίο Flächen der Kontaktelektroden können mit Nuten, Rillen oder Gewinden zum Vergrößern der Kontaktfläche versehen sein. Die Flächen können mit Vorteil eine Schicht aus einem Material, z. B. Nickel, haben, das verhindert, daß das Elektrodenmaterial in das Halbleitermaterial diffundiert. Eventuell kann auf dieser Schicht oder direkt auf der Kontaktelektrode eine Schicht z. B. aus einer Wismut-Zinn-Legierung angebracht werden, die bei Sintertemperatur schmilzt und eine Lötfuge mit niedrigem Widerstand zwischen den Kontaktelektroden und Halbleitermaterial bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunpen

Claims

Patentansprüche:

1. Schenkel aus Halbleitermaterial für eine thermoelektrische Wärmepumpe, dessen erste Kontaktelektrode kolbenartig ausgebildet, mit einer Schicht aus Halbleitermaterial von im wesentlichen konstanter Dicke umgeben und in einer becherförmigen zweiten Kontaktelektrode eingebettet ist, bei dem die beiden Kontaktelektroden mit dem Halbleitermaterial in gutem elektrischen und thermischen Kontakt stehen und bei dem an der Eintrittsstelle der ersten Kontaktelektrode in die zweite Kontaktelektrode der achssenkrechte lichte Querschnitt der zweiten Kontaktelektrode kleiner ist als der entsprechende größte Ouer-.'hnitt dieser Kontaktelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hintrittsstelle der ersten Kontaktelektrode (2) in die /weite Kontaktelektrode (1) der achssenkrechte Querschnitt der ersten Kontaktelektrode (2) kleiner ist als der entspa I.ende größte Querschnitt dieser Kontaktelektrode (2) und daß die Halbleitermalerialschicht (3) in Achsrichtung der Kontaktelektrode!! (1, 2) unter Druckspannung steht.

2. Schenkel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß de. Rand (12) d«.r zweiten Kontaktelektrode (1) nach inr.'n ab-ekröpft ist und einen Druck aut das Halbleitermaterial (3) ausübt.

3. Schenkel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontaktelektrode (2) einen aus der zweiten Kontaktelektrode herausragenden Teil (21) hat. dessen senkrecht zu ihrer Achse verlaufender Querschnitt kleiner ist als der ihres vom Halbleitermaterial umschlossenen Teils (F i g. 2 und 3).

4. Schenkel nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Zwischenscheihe (5) auf dem herausiagenden Teil (21) der ersten Kontaktelektrode so angeordnet ist, daß sie am vom Halbleitermaterial umschlossenen Teil dieser Kontaktelektrode (2) anliegt (F i g. 2 und 3).

5. Schenkel nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Zwischenscheiben (5) elastisch ist.

(·>. Schenkel nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Zwischenscheibe (5) aus Silikongummi besteht.

7. Schenkel nach einem der Ansprüche 1 bis (S. dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (3) die Form eines Bechers mit gewölbtem Boden hat.

S, Schenkel nach einem der Ansprüche 1 bis (S. dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial (3) einen an beiden Enden offenen Zylinder bildet.

9. Schenkel nach Anspruch iS. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kontaktelektrode!! (1. 2) am Boden der zweiten Kontaktelektrode (1) eine isolierende Zwischenscheibe (8) angeordnet ist.

10. Yenahren zur Herstellung von Schenkeln aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das HalbieiterniatCiial in geschmolzener Form in den Zwischenraum zwischen ύ^η Kontaktelektroden eingefühlt wird.

11. Verfahren zur Herstellung von Schenkeln aus Halbleitermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in Pulverform zwischen die Kontaktelektroden eingefüllt und mit Hilfe eines rohrförmigen Preßwerkzeuges komprimiert wird, das in den Spalt zwischen den Kontaktelektroden eingeführt wird und auf das Halbleitermaterial und die erste Kontaktelektrode eine Druckkraft ausübt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß es zu einem festen Körper zusammensintert.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11. dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einführen des Halbleitermaterials in den Zwischenraum zwischen den Kontakteleklroden der Rand der zweiten Kontaktelektrode umgebogen und gegen die erste Kontaktelektrode und das Halbleitermaterial gepreßt wird.