DE2201338A1 - Thermoelektrische Anordnung - Google Patents

Description

• Thermoelektrische Anordnung Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung mit mehreren Halbleiterelementen und mehreren Wårmeaustauschorganen, die abwechselnd nacheinander in ehem Stapel angeordnet sind, wobei jedes Halbleiterelement in elektrischem und therm is chem Kontakt mit dem nächstliegenden Wärme aus tauschorgan steht, wobei druckerzeugende Organe angeordnet sind, die auf die Enden des Stapels eine zusarimiendrtickende Kraft ausüben.
• Das Problem bei solchen Anordnungen besteht darin, kurze Stroms und Wärmewege zu erhalten und das Aufkommen von thermischen Schub- und Zugbeanspruchungen zu verhindern, die den Halbleiterelementen schaden können. Die Anordnung soll aus so wenig montierbaren Teilen wie möglich bestehen, und diese Teile dürfen nicht wärmertickleitend sein. Die genannten Anordnungen sollen eine sehr große Anzahl Halbleiterelemente und Wårmeaustauschorgane aufnehmen können, ohne daß die mechanische Stabilität der Anordnungen gefährdet wird.
• Es sind thermoelektrische Anordnungen bekannt, deren Stapel aus abwechselnd angeordneten Halbleiterelementen und Wärme ans tauschorganen bestehen, wobei Warmeanstauschorgane mit gleicher Funktion in gleicher Richtung liegen. Als Funktionen werden dabei die wärme aufnehmende und die warmeabgebende Punktion unterschieden. Druckkraft, Federkraft und Löten sind bekannte Mittel, um Kontakt zwischen den einzelnen Komponenten des Stapels herzustellen. Bs ist auch bekannt, die genannten K<nponenten mit Hilfe von durchgehenden Bolzen zusammenzufugen, sowie die Halteanordnung des Staples mit einem Gehause zu umgeben.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Anordnung zu entwickeln, die den oben (Absatz 2) genannten Anforderungen in besonders guter Weise gerecht wird.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine thermoelektrische Anordnung der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anordnung zwei in Längsrichtung des Stapels verlaufende und auf beiden Seiten des Stapels angeordnete, elektrisch isolierende Skitzscheiben enthält, die so angeordnet sind, daß Jedes Warmeaustauschorgan einen zwischen den Stützscheiben liegenden inneren Teil hat, daß die genannten Stutzscheiben mit Öffnungen für die Warmeaustauschorgane versehen sind, wobei die Öffnungen so ausgebildet sind, daß die W§rmeaustauschorgane von den Stützscheiben gestützt werden, und daß die Stützscheiben um den inneren Teil je des Warmeaustauschorgans einen im wesentlichen geschlossenen Raum bilden.
• Die in der Anordnung gemäß der Erfindung enthaltenen elektrisch isolierenden Stützscheiben sind stabilitätsfördernd und können aus so starrem Material sein, daß die Knickungsgefahr des Stapels bezeitigt wird. Die von den herausragenden Partien der Stützscheiben gebildeten Wände verhindern zum großen Teil das Auftreten thermischer Nebenschlüsse und stützen die Halbleiterelemente. Die herausragenden Partien können in verschiedene Art geformt sein, um die geschlossenen Räume zu bilden. Werden diese Räume außerdem mit einem thermisch isolierenden Material gefüllt, z.B. durch Einspritzen von Polyuretanschaum, so kann die thermische Rückleitung durch Luftzirkulation weiter vermindert werden. Das umgebende Stativ kann Befestigungsanordnung für federnde Elemente sein, die den Stapel beeinflussen. Außerdem kann ein Teil des Stativs oder das ganze Stativ ein drucker; zeugendes Organ für das Zusammenhalten des Stapels bilden. Das Stativ ermöglicht ferner das Zusammenkuppeln vieler Dmponenten in Reihenschaltung durch parallelliegende Stapel. Die StUtzscheiben können hierbei für alle zu der Anordnung gehörenden Stapel in einem Stück gefertigt werden, wodurch die Stabilität der Anordnung weiter erhöht wird. In Längsrichtung der Stapel herausragenden Partien vermindern zusätzlich die Kniökung s gefahr, was natUrlich auch bei einem einzelnen Stapel der Fall ist.
• Zur weiteren Stabilisierung können elektrisch isolierende Zwi-5 chen stücke zwischen zwei einander benachbarten Wärme austauschorgangen derselben Funktion mit einem solchen Abstand von der Stützscheibe angeordnet sein, daß die zum Knicken erforderliche Kraft größtenteils von den Zwischenstücken aufgenommen wird.
• Anhand der in den Figuren dargestellten Ausfübrungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden: Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Anordnung nach der Erfindung.
• Fig. Ia zeigt einen Ausschnitt A aus Fig. 1.
• Big. 2 zeigt eine Ansicht einer Anordnung gemäß der Erfindung mit parallel in einem umgebenden Stativ eingespannten Stapeln.
• Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer in der Anordnung nach der Erfindung enthaltenen Stützscheibe.
• Fig. 4a und 4b zeigen Ausführungsformen der auf den StUtsscheiben angeordneten herausragenden Partien in einer Anordnung nach der Erfindung.
• Fig. 1 zeigt im Schnitt erzen in einem Stativ 6 eingespannten Stapel von abwechselnd Halbleiterelementen 1 und Wärme austauschorganen 2. Die Halbleiterelemente sind abwechselnd vom Typ P und vom Typ N. Hieraus folgt, daß jedes zweite Nkrmeaustauschorgan 2 wärme aufnehmend bzw. wärmeabgebend ist. D. h. Wärmeaustauschorgane 2 mit derselben Funktion befinden sich auf derselben Seite des Stapels, wodurch es möglich wird, daß sich verschiedene Medien an beiden Seiten des Stapels befinden.
• Elektrisch isolierende Stützscheiben 3a und 3b sind stützende Elemente für die Komponenten des Stapels und bilden voneinander thermisch getrennte Räume 5 um jeden inneren Teil 9 der Wärmeaustauschorgane 2. Die Stützßcheiben 3a und 3b können wie in Fig. 3 gezeigt ausgebildet sein. Weiter zeigt Fig. 1 aus den Stützscheiben 3a und 3b herausragende Partien 4, die teils eine stützende Funktion für die Halbleiterelemente 1 haben und teils, wie auf mehrere Arten in Fig. 3 und 4 gezeigt, Trennwände zwischen den Räumen 5 bilden, die um je den inneren Teil 9 der Wärmeaustauschorgane 2 liegen. Das Stativ ist in Fig. 1 an den Endpunkten des Stapels nur im Schnitt sichtbar und besteht am besten aus U-förmigen Trägern 6, die über Bolzen 7 und Federelemente 13 druckerzeugende Organe bilden. Zwischen den federnden Elementen 13 und den Endpunkten des Stapels ist ein isolierendes Material, z.3. in Form einer Scheibe 11, eingelegt.
• Ein Stromabnehmer 8 ist an das eine Ende des Stapels angeschlossen. Zwischen zwei einander benachbarten Wärme aus tauschorganen 2 mit derselben Funkton sind elektrisch isolierende Zwischenstücke 16 angeordnet, und zwar in solchem Abstand von den Stützscheiben 3a und 3b, daß die zum Knicken des Stapels erforderliche Kraft größtenteils von diesen Zwischenstücken 16 aufgenommen wird.
• Fig. 2 zeigt eine Ans echt der Anordnung, teilweise im Schnitt, die im Verhältnis zu der in Fig. 1 um 900 axial verdreht ist.
• Hier wird das ganze die Stapel umgebende Stativ 6 gezeigt. Diese Figur zeigt die guten Anbaumöglichkeiten von weiteren Stapeln in Reihen schaltung, die gemäß der Erfindung möglih sind. Leitende Blöcke 10 verbinden die einzelnen Stapel zu einer einzigen Reihenschaltung. Dieser Anbau kann wesentlich weiter fortgesetzt werden als in Figur 2 gezeigt, ohne daß die Anordnung an Stabilität verlieren wArde.
• Fig. 3 zeigt ein in der Anordnung nach der Erfindung verwendbares Stützscheibenpaar 3a und 3b mit öffnungen 12 für die Wrmealstauschorgane 2 und in Längsrichtung des Stapels herausragenden Partien 14 und rechtwinklig zu der Längsrichtung des Stapels herausragenden Partien 4. In den Herausragenden Partien 4 sind Aussparungen 15 fiir die Halbleiterelemente 1 angeordnet. Die beiden Stützscheiben 3a und 3b sind bezüglich der herausragenden Partien 4 und 14 verschiedenen aufgebaut. Weitere Ausführungsformen der herausragenden Partien 4 zeigt Fig. 4.
• In der Regel ist es aufgrund des großen Übergangswiderstandes, der an solchen übergangen leicht auf tritt, nicht zweckmäßig, die Halbleiterelemente 1 unmittelbar gegen die Warmeaustauschorgane 2 zu pressen. Man erhält einen besseren Übergang, wenn man z.B. vernickelte Kupferscheiben auf beiden Seiten der Halbleiterelemente festlötet, wobei man zweckmäßigerweise die Kontaktfläche (die meistens aus Al oder einer Al-Ieglerung besteht) der Wärmeaustauschorgane so behandelt, daß man eine sehr nie dri gohmige und gut wärme leitende Druckkontaktkombination erhält (z.B. durch Vernicklung, Vergoldung).
• Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung erhält man keine thermischen Schub- oder Zugbeanspruchungen. Möglichkeit zu Druckkontakt besteht an sämtlichen Übergängen zwischen den verschiedenen Komponenten eines Stapels. Alternativ. können gewisse Übergänge gelötet werden, z.B. an den kalten Wärmeaustauschorganen, während die anderen durch Druckkontakt zusaxniingehalten werden. Die Anordnung enthält wenig montierbare Teile und keines von diesen ist wärmerückleitend. Strom- und Wärmevege sind kurz. Der thermische Nebenschluss ist auf ein Minimum reduziert. Die Anordnung ist leicht zu montieren und justierbar. Die Ausbanmöglichkeiten sind groß und das System ist knick- und vibrationsbeständig und leicht elektrisch anzuschließen.

Claims (12)

1. Paten tansnrüche 1. lhoelektrische Anordnung mit mehreren XalbleiteSLementen und mehreren Wärmeaus tauschorganen , die abwechselnd nacheinander in einem Stapel angeordnet sind, wobei jedes Halbleiterelement in elektrischem und thermischem Kontakt mit den nächstliegenden Wärmeaustauschorganen steht, wobei druckerzeugende Organe angeordnet sind, die auf die Enden des Stapels eine zusammendrückende Eratt ausüben, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zwei in Längsrichtung des Stapels verlaufende und auf beiden Seiten des Stapels angeordnete, elektrisch isolierende Stutzscheiben (3a, Db) enthält, die so angeordnet sind, daß jedes Wär.meaustauschorgan (2) einen zwischen den Stützscheiben liegenden inneren Teil hat, daß die genannten Stützscheiben mit Öfinungen (12) für die Wärmeaustauschorgane (2) versehen sind, wobei die Öffnungen so ausgebildet sind, daß die Wärme aus tauschorgane von den Stützscheiben gestützt werden, und daß die Stützscheiben um den inneren Teil jedes Wärmeaustauschorgans einen im wesentlichen geschlossenen Raum bilden.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Stützscheibe nur mit den Wärme aus tauschorganen in Kontakt steht, die Wärme aufnehmen, während die andere Stützscheibe nur mit den Wärme aus tauschorganen in Kontakt steht, die Wärme abgeben.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einer der Stützscheiben (3a, 3b) rechtwinklig zur Längsrichtung des Stapels und zu der anderen Stützscheibe herausragende Partien (4) angeordnet sind.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß muDindest auf einer der Stützscheiben (3a, 3b) parallel zur Langsrichtung des Stapels und zu der anderen Stützscheibe herausragende Partien (14) angeordnet sind.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die herausragenden Partien (4) mit Aussparungen (15) für die Halbleiterelemente (1) versehen sind.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die herausragenden Partien (4 14) der beiden Stützscheiben (3a, 3b) einander gegenüberliegen und die gesamte Höhe der gegeneinader gerichteten Partien im wesentlichen dem Abstand zwischen den Stützscheiben entspricht.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die herausragenden Partien (4, 14) der einen Stützscheibe (3a bzw. 3b) im Verhältnis zu den herausragenden Partien der anderen Stützscheibe etwas verschoben angeordnet sind und die gesamts Höhe von zwei einander zugewandten, benachbarten herausragenden Partien größer als der Abstand zwischen der Stützscheiben ist0
8. 8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch isolierende Zwischenstücke (6) zwischen jedem Paar aneinanderliegender und auf derselben Seite des genannten Sta= pels befindlicher Wärmeaustauschorgane (2) mit solchem Abstand von der auf derselben Seite des Stapels angeordneten Stützscheibe (3a bzw. 3b) angeordnet sind, daß der größte Teil der zum Knicken des Stapels erforderlichen Kraft von den genanntn Zwischenstücken aufgenammen wird.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dN der genannte Raum mit thermisch isolierendem Material gefüllt ist.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Stapel umschließendes Stativ (6) vorhanden ist, welches das druckerzeugende Organ bildet und zumindest an dem einen Befestigungspunkt am Stapel federnde Organe (13) enthält.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der genannten Stapel in Reihenschaltung in dem Stativ (6) eingespannt ist.
12. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützscheiben mehrere Stapel umfassen.