DE4326662A1

DE4326662A1 - Flexible Peltierbatterie

Info

Publication number: DE4326662A1
Application number: DE4326662A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Rost; Wolfgang Dr Heiliger
Original assignee: ROST MANFRED DR RER NAT HABIL
Current assignee: ROST MANFRED DR RER NAT HABIL
Priority date: 1993-08-09
Filing date: 1993-08-09
Publication date: 1995-02-23

Description

Stand der Technik

Peltierbatterien nutzen den Peltiereffekt zum Pumpen von Wärmeenergie. Dazu sind Quader oder Säulen, sog. Schenkel, aus thermoelektrisch aktiven p- und n-leitenden Halblei termaterlalien im Wechsel (Thermopaare) zwischen zwei starre Träger, eine Grundplatte und eine Deckplatte, mon tiert und über Metallbrücken elektrisch so in Reihe ge schaltet, daß alle Kaltseiten in einer Ebene an der Grund platte und alle Warmseiten in einer zweiten Ebene an der Deckplatte anliegen. Dieses Montageprinzip ergibt thermisch eine Parallelschaltung der einzelnen, elementaren Kühl strukturen.

Die Schenkel bestehen aus Materialien mit hohem Seebeck koeffizienten, z. B. aus anisotropen V₂VI₃-Verbindungs halbleitern. Als Material für die Trägerplatten dient meist Aluminiumoxidkeramik, die eine gute Wärmeleitung aufweist. Bei der Anwendung werden die Trägerplatten in guten thermi schen Kontakt mit dem zu kühlenden Objekt einerseits (Kalt seite) und einem Wärmereservoir andererseits (Warmseite) gebracht.

Bei den bekannten Peltierbatterien handelt es sich um starre Bauelemente mit planen Oberflächen, die plane Montageflächen an der Kaltseite und an der Warmseite erforderlich machen.

Mit dieser Montageanforderung herkömmlicher Peltierbatterien ist es zur Kühlung oder Thermostatisierung von Körpern, Ge fäßen oder Leitungen mit gekrümmten Oberflächen, wie sie häufig bei Kühl- oder Thermostatisierungsaufgaben anzu treffen sind, z. B. im Bereich der Sensorik, erforderlich, speziell geformte Wärmeleitkörper oder Wärmetauscher zwi schen Peltierbatterie und das zu kühlende Objekt zu schalten. Dies ist fertigungstechnisch aufwendig und es entstehen dadurch auch Kühlleistungsverluste.

Speziell für die Kühlung gekrümmter Oberflächen ist in der US-PS.3,269,872 ein Fertigungsprinzip vorgeschlagen worden, welches solche speziellen Wärmetauscher vermeidet, indem die Geometrie der Peltierbatterie der zu kühlenden Fläche starr angepaßt ist. Das Verfahren ist aufwendig, keineswegs uni versell anwendbar und für die Massenfertigung wenig geeig net.

Desweiteren hat sich gezeigt, daß beim Betrieb großflächiger Peltierbatterien thermisch bedingt mechanische Spannungen auftreten können, die manchmal bis zur Zerstörung der Pel tierbatterie führen. Zum Abbau solcher Spannungen wurde in der DE-OS 40 06 861 A1 vorgeschlagen, mindestens eine der Montageplatten (Grund- oder Deckplatte) regelmäßig zu teilen. Zwar erhöht sich die Elastizität der Peltier batterie dadurch, aber sie bleibt insgesamt starr. Auch diese Anordnung ist nicht zum Kühlen gekrümmter oder in sich beweglicher Oberflächen geeignet.

Problem

Der in Anspruch 1 bis 4 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, Peltierbatterien zu entwickeln, die für die Kühlung von gekrümmten oder in sich beweglichen Ober flächen geeignet sind und bei denen es auch bei groß flächiger Bauweise nicht zur Zerstörung durch thermisch bedingte Spannungen kommen kann.

Erfindung

Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst unter Verwendung von mehreren einzelnen, im Verhältnis zur Krümmung der zu kühlenden Oberfläche oder entsprechend der erforderlichen Beweglichkeit klein dimensionierten Peltierelementen, deren Grundplatten über eine mindestens partiell flexible Verbindung mechanisch verbunden, elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind und deren Deckplatten mit einem flexiblen Wärmeieiter zur Ankopplung an weit gehend beliebig geformte Wärmereservoire versehen sind. Als flexible Verbindung sind wärmeleitende Folien oder Filme geeignet, die mit Leiterbahnstrukturen versehen sind.

Die Leiterbahnen können dabei zum Aufbringen einzelner, vorge fertigter Peltierelemente oder selbst als Grundplatte zum Aufbringen der Schenkel dienen; sie dienen auch der elektrischen Verbindung der einzelnen Schenkel oder Elemen te. Die Leiterbahnstrukturen werden wahlweise auf die Folie aufgedruckt (Dickschichttechnik), im Vakuum aufge dampft oder aufgesputtert (Dünnschichttechnik) oder bei Verwendung kupferkaschierter Folie durch einen in der Elektroniktechnologie üblichen Ätzprozeß hergestellt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen flexiblen Peltierbatterien sind gut an die verschiedensten Oberflächengeometrien der zu kühlenden Objekte anpaßbar und aufgrund ihrer Bauweise können keine thermisch bedingten mechanischen Spannungen in der Batterie auftreten, die zu deren Zerstörung führen. In der Leiter plattentechnik übliche Herstellungsverfahren ermöglichen es, die Leiterbahnstrukturen auf einfache Weise herzu stellen.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 9 angegeben.

Durch eine bandartige oder flächenhafte Anordnung der Peltierelemente auf der flexiblen Verbindung lassen sich die verschiedensten Geometrien realisieren.

Ferner ist es möglich, neben den flexiblen Wärmeleitern an den Deckplatten der einzelnen Peltierelemente wahlweise auch an der flexibel verbundenen Seite flexible Wärmeleiter vorzusehen, z. B., um die Kühlung einer Flüssigkeit durch Eintauchen der flexiblen Wärmeleiter zu erleichtern. Schließlich kann die flexible Leiterbahnfolie direkt mit einer Selbstklebeschicht versehen sein.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Anhand der Abbildung wird dieses Beispiel näher erläutert. Quadratische Säulen aus n- bzw. p-leitendem thermoelek trischem Material mit einer Kantenlänge von 1 mm und einer Höhe von 2,7 mm dienen als Schenkel (1) der Peltierbatterie. Als Grundplatten (2) und Deckplatten (3) finden Al₂O₃-Plätt chen von 5 mm Länge und 2 mm Breite und 0,5 mm Dicke Verwen dung. Grundplatte (2) und Deckplatte (3) tragen an den Innenseiten ein Leitbahnmuster, welches die elektrische Reihenschaltung von vier Schenkeln ermöglicht; an den Außenseiten sind Grundplatte (2) und Deckplatte (3) voll ständig metallisiert und lötfähig. Die Schenkel (1) sind im Wechsel mit einem Lot, dessen Schmelzpunkt ca. 130°C be trägt, zwischen Grundplatte (2) und Deckplatte (3) gelötet; sie bilden die einzelnen Peltierelemente, die thermoelek trisch voll funktionsfähig sind. 100 solcher Peltier elemente sind mit der lötfähig metallisierten Außenseite ihrer Grundplatte so auf eine flexible, metallisierte Trägerfolie (4) gelötet und elektrisch in Reihe geschaltet, daß eine flexible, bandförmige Anordnung entsteht. Längs der Biegelinie (B) ist die bandförmige Anordnung vom Anwender trennbar; die elektrischen Anschlüsse werden dann direkt an den Leiterbahnenden angebracht. Auf die Außen seite der Deckplatte jedes Peltierelementes ist ein flexib ler Wärmeleiter (5) zur Verbindung mit einem Wärmereservoir aufgelötet. Als flexibler Wärmeleiter dient geflochtenes Kupferband. Für das Auflöten der Peltierelemente auf die Folie bzw. für das Anlöten der flexiblen Wärmeleiter dient ein Lot, dessen Schmelzpunkt ca. 30°C unter dem Schmelz punkt des Lotes liegt, welches zum Auflöten der Schenkel benutzt wurde.

Beispiel 2

Auf eine separate Grundplatte für die einzelnen Peltierele mente auf der Kaltseite wird verzichtet. Statt dessen werden die Schenkel bei Beibehaltung der in der Abbildung darge stellten geometrischen Anordnung direkt auf eine mit Leiterbahnstrukturen für 100 Peltierelemente versehene flexible Folie gelötet.

Die Leiterbahnstrukturen werden wahlweise auf die Folie aufgedruckt (Dickschichttechnik), im Vakuum aufgedampft oder aufgesputtert (Dünnschichttechnik). Es ist auch möglich, flexible kupferkaschierte Folie zu verwenden und die Leiterbahnen durch einen in der Elektroniktechnologie üblichen Ätzprozeß herzustellen. Die notwendige Stabilität erhält diese Anordnung durch die keramischen Deckplatten mit dem flexiblen Wärmeleiter.

Beispiel 3

Als gemeinsame Grundplatte für eine Vielzahl von flächenhaft angeordneten Peltierelementen dient eine flexible Leiter plattenfolie. An der den Schenkeln abgewandten Seite ist die Leiterplattenfolie zusätzlich mit einer selbstklebenden Schicht versehen. Durch Abtrennen von Teilen der flexiblen Peltierbatterie längs von Biegelinien erfolgt durch den Anwender eine weitgehende Anpassung an die zu kühlenden Geometrien. Unter Nutzung der selbstklebenden Schicht wird die flexible Peltierbatterie mit dem zu kühlenden Objekt verbunden.

Claims

1. Flexible Peltierbatterie unter Verwendung von mehreren, einzelnen, im Verhältnis zur Krümmung der zu kühlenden Oberfläche oder entsprechend der erforderlichen Beweg lichkeit klein dimensionierten Peltierelementen, deren Grundplatten über eine mindestens partiell flexible Verbindung elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind und deren Deckplatten mit einem flexib len Wärmeleiter zur Ankopplung an weitgehend beliebig geformte Wärmereservoire versehen sind.

2. Flexible Peltierbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wärmeleitende Leiterplattenfolien oder -filme mit Leiterbahnstrukturen zur Aufnahme und elektrischen Ver bindung der einzelnen Peltierelemente.

3. Flexible Peltierbatterien nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltierelemente mit ihrer Grund platte auf die vorgesehenen Leiterbahnsegmente aufge bracht sind.

4. Flexible Peltierbatterie nach Anspruch 1 und 2, gekenn zeichnet dadurch, daß als Grundplatte der Peltier elemente vorgesehene Leiterbahnsegmente auf einer flexiblen Folie dienen.

5. Flexible Peltierbatterie nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen den Peltierelementen ohne Beeinträchtigung der thermo elektrischen Funktion trennbar ist, und daß danach nur die erzielbare Kühlleistung und die erforderliche Be triebsspannung entsprechend der Anzahl der abgetrennten Peltierelemente verringert sind.

6. Flexible Peltierbatterie nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltierelemente linear, bandartig angeordnet sind.

7. Flexible Peltierbatterie nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Peltierelemente flä chenhaft angeordnet und elektrisch so miteinander ver bunden oder verbindbar sind, daß beliebige Geometrien durch Abtrennen einzelner Peltierelemente realisierbar sind, und daß die verbleibenden Peltierelemente bevor zugt elektrisch in Reihe geschaltet sind.

8. Flexible Peltierbatterie nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatten der einzelnen Peltierelemente wahlweise an der flexibel verbundenen Seite oder an der gegenüberliegenden Seite oder an beiden Seiten mit flexiblen Wärmeleitern versehen sind.

9. Flexible Peltierbatterie nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplattenfolie eine selbst klebende Beschichtung trägt.