DE69725521T2

DE69725521T2 - Thermoelektrischer Apparat

Info

Publication number: DE69725521T2
Application number: DE69725521T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawasaki-shi Watanabe; Hirofusa Noboribetsu-shi Tezuka; Mitsutoshi Muroran-shi Ogasawara; Nobuhiko Noboribetsu-shi Suzuki; Kazuya Noboribetsu-shi Sato
Original assignee: Technova Inc; Engineering Advancement Association of Japan
Current assignee: Technova Inc; Engineering Advancement Association of Japan
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-06-25
Also published as: AU717063B2; CN1171634A; EP0820107B1; DE69725521D1; CN1128478C; AU2624397A; JPH1012934A; JP3241270B2; EP0820107A2; US6073449A; EP0820107A3

Description

a) Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Apparat, wie zum Beispiel einen thermoelektrischen Kühlapparat oder einen thermoionischen Elektrizitätsgenerator, und speziell einen thermoelektrischen Apparat, welcher trotz wiederholter Erwärmungszyklen keiner starken Leistungsabnahme unterzogen wird und eine exzellente Zuverlässigkeit im Betrieb und eine lange Funktions-Lebensdauer aufweist.
b) Beschreibung der verwandten Technik
Bei einem herkömmlichen thermoelektrischen Apparat ist eine Gruppe thermoelektrischer Elemente (Thermoelemente) zwischen Wärmeleitern angeordnet und dadurch an ihrem Platz fixiert, dass die Wärmeleiter mit mehreren Schrauben aneinander befestigt sind, mit einem wärmeleitenden Schmiermittel, das zwischen jedem Wärmeleiter und der Gruppe thermoelektrischer Elemente aufgebracht ist, um ihren Wärmekontakt zu verbessern.
Als Schrauben werden solche verwendet, die aus Metall oder Kunststoffen hergestellt werden. Metallschrauben haben eine ausreichende Festigkeit zum Fixieren der Gruppe der thermoelektrischen Elemente. Diese Metallschrauben werden in Kombination mit wärmeisolierenden Scheiben benutzt, weil ihre Wärmeleitfähigkeit hoch ist, wenn sie alleine verwendet werden. Andererseits haben Kunststoffschrauben eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, benötigen jedoch wegen ihrer geringen mechanischen Festigkeit zusätzliche Verstärkung durch ein Klebemittel oder ähnliches.
Die Befestigungskraft solcher Schrauben ist notwendig, um eine Wärmeleitung zwischen den Wärmeleitern und der Gruppe der thermoelektrischen Elemente sicherzustellen, und ebenfalls um die Gruppe der thermoelektrischen Elemente an ihrem Platz zu fixieren. Nebenbei bemerkt wird die Gruppe thermoelektrischer Elemente an ihrem äußeren Umfang durch Silikongummi oder ähnliches abgedichtet, um Wasserdichtigkeit herzustellen.
Da die Gruppe der thermoelektrischen Elemente beim herkömmlichen thermoelektrischen Apparat, wie er oben beschrieben wurde, dadurch an ihrem Platz fixiert wird, dass die Wärmeleiter mit der Vielzahl der Schrauben aneinander befestigt werden, ist es schwierig, einen einheitlichen Druck auf die Gruppe der thermoelektrischen Elemente auszuüben. Einige der thermoelektrischen Elemente werden deshalb einer örtlichen Last unterzogen, so dass sie brechen können.
Schrauben aus einem Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Edelstahlschrauben oder Eisenschrauben werden als die oben beschriebenen Metallschrauben verwendet. Die Schrauben aus diesem Material haben einen geringeren Wärmeexpansionskoeffizienten als die Wärmeleiter und die thermoelektrischen Elemente. Während der Verwendung des thermoelektrischen Apparates bewegen sich die Wärmeleiter und die thermoelektrischen Elemente aufgrund von Ausdehnung und Schrumpfung. Solche Bewegungen der Wärmeleiter und thermoelektrischen Elemente werden durch die Schrauben beschränkt, so dass eine hohe Kompressions- oder Zuglast wiederholt auf die thermoelektrischen Elemente aufgebracht wird, was möglicherweise in einem Bruch der thermoelektrischen Elemente resultiert.
Kunststoffschrauben sind andererseits von geringer mechanischer Festigkeit, so dass sie keine lang andauernde Zuverlässigkeit aufweisen. Darüber hinaus sind sie von dem Nachteil begleitet, dass sie keine ausreichende Festigkeit bereitstellen können, um einem Fall- und Stoßtest für einen thermoelektrischen Apparat zu widerstehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Nachteile der herkömmlichen Technik zu eliminieren und einen thermoelektrischen Apparat bereitzustellen, welcher über wiederholte Wärmezyklen einen geringeren Leistungsverlust erfährt und exzellente Betriebs-Zuverlässigkeit und eine lange Funktions-Lebensdauer aufweist.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen thermoelektrischen Apparat, zusammengesetzt aus einer wärmeaufnahmeseitigen Tauscherbasis und einer wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis mit guter Leitfähigkeit, die einander gegenüberstehend angeordnet sind und zwischen die eine Gruppe thermoelektrischer Elemente bzw. Thermoelemente eingeschoben ist.
Gemäß aus einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der thermoelektrische Apparat:
einen aus einem Kunstharzmaterial bestehenden Rahmen, der eine dieser Wärmetauscherbasen, entweder die wärmeaufnahmeseitige oder die wärmeabfuhrseitige, an einem Abschnitt ihres Außenumfangs hält,
wobei der Rahmen und die andere, nicht durch diesen Rahmen gehaltene Wärmetauscherbasis beide mit verlängerten Abschnitten versehen sind, die sich im Wesentlichen entlang und im Wesentlichen in derselben Richtung erstrecken wie eine Stapelrichtung der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis, der Gruppe von Thermoelementen und der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis; und die sich erstreckenden Abschnitte sind beispielsweise mit einem Klebemittel oder ähnlichem zusammengefügt.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ebenfalls, dass der thermoelektrische Apparat umfasst:
einen wärmeaufnahmeseitigen Rahmen, der die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis an einem Abschnitt ihres Außenumfangs hält, und
einen wärmeabfuhrseitigen Rahmen, der die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis an einem Abschnitt ihres Außenumfangs hält, wobei der wärmeaufnahmeseitige Rahmen und der wärmeabfuhrseitige Rahmen beide aus Kunstharzmaterial gestehen, beispielsweise aus Polyphenyl-Sulfid, wobei
der wärmeaufnahmeseitige Rahmen und der wärmeabfuhrseitige Rahmen beide mit verlängerten Abschnitten versehen sind, die sich im Wesentlichen entlang und im Wesentlichen in derselben Richtung erstrecken, wie eine Stapelrichtung der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauschbasis, die Gruppe der Thermoelemente und die wärmeabfuhrseitige Wärmetauschbasis; und wobei die sich erstreckenden bzw. verlängerten Abschnitte beispielsweise mit einem Klebemittel oder ähnlichem zusammengefügt sind.
Jeder Rahmen, der aus dem Kunstharzmaterial hergestellt ist, hat im Wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Wärmeleiter und Thermoelemente, so dass beim Betrieb der Rahmen seiner Ausdehnung und Schrumpfung in gleichem Maße unterzogen wird wie die Wärmeleiter und Gruppe der Thermoelemente. Dies hat es möglich gemacht, die Last, welche auf die Thermoelemente aufgebracht wird, merklich zu reduzieren. Jeder Rahmen ist so bemessen, dass er seine zugeordnete Wärmetauscherbasis an ihrem äußeren Umfangsabschnitt hält, so dass die sich erstreckenden bzw. verlängerten Abschnitte über ausreichende Bereiche miteinander verbunden sind. Obwohl jeder Rahmen ein Rahmen aus Kunstharz ist, wird somit eine ausreichende Befestigungskraft erzielt.
Wegen der oben genannten Vorteile kann verhindert werden, dass der thermoelektrische Apparat Leistung einbüßt, wodurch der thermoelektrische Apparat mit exzellenter Betriebs-Zuverlässigkeit und einer sehr langen Betriebslebensdauer versehen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche beispielsweise als thermoelektrischer Kühlapparat, zum Beispiel als thermoelektrischer Kühlschrank, verwendbar ist;
2 ist eine untere Ansicht eines ersten wärmeabfuhrseitigen Rahmens, der beim thermoelektrischen Apparat verwendet wird;
3 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht zur Erläuterung einer Auslassstruktur für einen Anschlussdraht beim thermoelektrischen Apparat;
4 ist eine Teilquerschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine Teilquerschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Teilquerschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Teilquerschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Teilquerschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Teilquerschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer siebenten Ausführungsform während ihres Zusammenbaus;
10 ist eine Teilquerschnittsansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer achten Ausführungsform während ihres Zusammenbaus;
11 ist eine Querschnittsansicht, die einen Herstellungsprozess einer wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Apparates gemäß einer neunten Ausführungsform zeigt;
12 ist eine Querschnittsansicht der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis;
13 ist eine Teil-Perspektivansicht eines thermoelektrischen Apparates gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
14 ist eine Querschnittsansicht des thermoelektrischen Apparates gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der thermoelektrische Apparat gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
Wie in 1 dargestellt ist, ist der thermoelektrische Apparat prinzipiell zusammengesetzt aus einem wärmeaufnehmenden Element 1, das an einer gekühlten Seite angeordnet ist, beispielsweise an einer Seite eines Innenraums eines Kühlschranks oder ähnlichem, einer wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2, einer Gruppe thermoelektrischer Elemente bzw. Thermoelemente 3, einer wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4, einem ersten wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-1, einem zweiten wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-2 und einem Verteilerelement 7.
Das wärmeaufnehmende Bauteil 1 ist aus einer Rippenbasis (Firmenbasis) mit einer großen Oberfläche ausgebildet und mit einer Anzahl wärmeaufnehmender Rippen (nicht gezeigt) versehen. Wenn notwendig, kann in der Umgebung des wärmeaufnehmenden Bauteils 1 ein Gebläse angeordnet werden. Ferner kann die Rippenbasis mit den wärmeaufnehmenden Rippen integriert oder ohne sie angeordnet werden.
Die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 und die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 sind beide aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit gemacht, beispielsweise Aluminium oder ähnliches, und sie sind mit elektrisch isolierenden Filmen versehen, beispielsweise anodisierten Aluminiumoxid-Filmen, auf Oberflächen, wo sie in Kontakt mit der Gruppe der Thermoelemente 3 gehalten werden. Bei der Ausbildung der isolierenden Filme aus anodisiertem Aluminiumoxid durch Anodisierung, wird das Weglassen der Versiegelungsbehandlung erwünscht sein, weil ohne eine solche Versiegelungsbehandlung die resultierenden isolierenden Filme eine bessere Verbindbarkeit mit der Gruppe der Thermoelemente 3 über den dünnen Film 38 zeigen können, der hier im Weiteren beschrieben wird. Als eine Alternative können die elektrisch isolierenden Filme ebenfalls durch thermisches Spülen oder ähnliches ausgebildet werden. Eine Beschreibung über andere Herstellungsverfahren für die Wärmetauscherbasis 2, 4 wird hier im Weiteren gegeben.
Wie in 1 dargestellt ist, ist die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 aus einem dicken Block zusammengesetzt, um die Basis in einem gut gekühlten Zustand zu halten.
Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist die Gruppe der Thermoelemente 3 aufgebaut aus wärmeaufnahmeseitigen Elektroden, wärmeabfuhrseitigen Elektroden und einer Vielzahl von Halbleiterschichten vom P-Typ und Halbleiterschichten vom N-Typ, die zwischen den ersteren und letzteren Elektroden angeordnet sind, wie dies auf dem vorliegenden technischen Gebiet wohlbekannt ist. Die Halbleiterschichten vom P-Typ und die Halbleiterschicht vom N-Typ sind sowohl strukturell als auch thermisch parallel zueinander angeordnet, aber elektrisch sind sie in Reihe über die oben beschriebenen Elektroden verbunden.
Der erste wärmeaufnahmeseitige Rahmen 6-1 ist so angeordnet, dass er sich von der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 zu einer Seite der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 2 erstreckt, wie in 1 gezeigt ist, und er liegt in einer hohlen Form vor, die durch ihre oberen und unteren Teile offen ist. Er hat einen Basisendabschnitt 6-1a und einen verlängerten Abschnitt 6-1b, der sich von einem inneren Umfangsabschnitt des Basisendabschnittes 6-1a nach unten erstreckt. Im Querschnitt hat er annähernd eine gestufte Form. Der Basisendabschnitt 6-1a ist in flüssigkeitsdichter Weise mit einem Umfangsabschnitt einer unteren Oberfläche der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 verbunden, beispielsweise unter Verwendung eines Klebemittels oder durch den Einsatz eines O-Rings und eines Klebemittels in Kombination.
Die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 2 ist wie oben beschrieben aus dem dicken Block ausgebildet, so dass ihr äußerer Umfangsabschnitt einen verlängerten Abschnitt 2a ausbildet, der sich im Wesentlichen entlang einer Stapelrichtung der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2, der Gruppe der Thermoelemente 3 und der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 erstreckt. Der verlängerte Abschnitt 2a der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 2 und der verlängerte Abschnitt 6-1b des ersten wärmeaufnahmeseitigen Rahmens 6-1 stehen einander im Wesentlichen parallel gegenüber. Durch eine Klebemittelschicht 14, die zwischen die verlängerten Abschnitte 2a und 6-1b eingespritzt wird, werden die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 2 und der erste wärmeaufnahmeseitige Rahmen 6-1 integral miteinander verbunden. Für die Klebemittelschicht 14 kann ein aushärtendes Klebemittel, wie zum Beispiel ein Epoxid-Klebemittel oder ein Acryl-Klebemittel, ein Fusions-bondierendes Klebemittel, wie zum Beispiel ein Schmelzklebstoff oder ein ähnliches Klebemittel verwendet werden.
Mehrere Positionierungsstifte 26 erstrecken sich über dem verlängerten Abschnitt 2a und dem verlängerten Abschnitt 6-1b und verhindern dadurch jedwede relative Positionsverschiebung zwischen der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 und dem ersten wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 6-1, und zwar sogar bevor die Klebemittelschicht 14 vollständig aushärtet. Mit dem Symbol 6-1d in 2 sind Stifteinsatzlöcher bezeichnet, die durch den verlängerten Abschnitt 6-1b hindurch ausgebildet sind.
An einer Außenseite des verlängerten Abschnittes 6-1b sind mehrere (vier bei der dargestellten Ausführungsform) Verstärkungsrippen 6-1c integral so angeordnet, dass sie sich zum Basisendabschnitt 6-1a hin erstrecken. Wie in 1 gezeigt ist, ist der erste wärmeaufnahmeseitige Rahmen 6-1 so angeordnet, dass er sich über die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 und die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 erstreckt, so dass die Wärme durch den ersten wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 6-1 zurückkehrt. Zur Minimierung dieser Wärmerückkehr ist es gewünscht, den ersten wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 6-1 relativ dünn auszubilden. Eine geringe Dicke führt jedoch zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit des ersten wärmeaufnahmeseitigen Rahmens 6-1. Bei dieser Ausführungsform sind die Vielzahl der Verstärkungsrippen 6-1c zwischen dem Basisendabschnitt 6-1a und dem verlängerten Abschnitt 6-1b angeordnet, um den ersten wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 6-1 steif zu halten.
Ferner ist der erste wärmeaufnahmeseitige Rahmen 6-1 in einer abgestuften Form ausgebildet, mit anderen Worten in einer nicht linearen Form zwischen dem Basisendabschnitt 6-1a und dem verlängerten Abschnitt 6-1b, um eine ausreichende Kriechstrecke von der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis zur wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 sicherzustellen, wodurch die Rückführung von Wärme durch den ersten wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 6-1 reduziert wird.
Wie in 2 und in 3 dargestellt ist, ist ein Anschlussauslassschlitz 6-1e im Basisendabschnitt 6-1a an einer vorbestimmten Position ausgebildet. Ein Anschlussdraht 19 (elektrisches Energieversorgungsbauteil), der mit einer Elektrode 34 für die Gruppe der Thermoelemente 3 verbunden ist, erstreckt sich nach außen durch den Auslassschlitz 6-1e, und ein Raum zwischen dem Auslassschlitz 6-1e und dem Anschlussdraht 19 ist in gas- und flüssigkeitsdichter Weise mit einem Dichtmittel 27 abgedichtet (siehe 3).
Der zweite wärmeabfuhrseitige Rahmen 6-2 ist an einer oberen Seite der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 angeordnet und liegt in der Form einer Hohlform vor, die im Wesentlichen an einem oberen Teil geschlossen, jedoch durch ihren unteren Teil offen ist. Ein Umfangskantenabschnitt einer unteren Öffnung ist in flüssigkeitsdichter Weise mit einem Umfangsabschnitt einer oberen Oberfläche der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 verbunden, mit einem U-Ring 8, der dazwischen angeordnet ist. Der zweite wärmeabfuhrseitige Rahmen 6-2 ist im Wesentlichen an seinem mittleren Teil mit einer Zuführungsleitung 9 und benachbart zu seiner Umfangskante mit einer Auführungsleitung 10 versehen. Das Verteilungsbauteil 7 ist mit einer Umfangswand 7a, einer Bodenwand 7b, kontinuierlich mit einem unteren Ende der Umfangswand 7a ausgebildet, und einer Anzahl von Düsenabschnitten 7e versehen, die sich von der Bodenwand 7b zur wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 erstrecken. Verteilungslöcher 7d werden jeweils durch die Düsenabschnitte 7e ausgebildet.
Durch das Fixieren des Verteilungsbauteils 7 in dem zweiten wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-2 wird ein erster Raum 11 in abgeflachter Form auf einer Seite der Zuführungsleitung 9 relativ zum Verteilungsbauteil 7 definiert, ein zweiter Raum 13 wird in abgeflachter Form auf einer Seite der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 relativ zum Verteilungsbauteil 7 definiert, und ein Abfuhrkanal 12 wird ausgebildet, der den zweiten Raum 13 mit der Abfuhrleitung 10 verbindet.
Die wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-1, 6-2 sind aus einem Kunstharz ausgebildet, das eine geringe Wasserabsorption und Wasserdampfpermeation aufweist, beispielsweise PPS (Polyphenylensulfid; Wasseradsorption: 0,02%, Wasserdampfpermeation: 2,5 g/m²·25 h/0,1 mm), PBT (Polybutylen-Terephthalat; Wasseradsorption: 0,07%, Wasserdampfpermeation: 6,9 g/m²·24 h/0,1 mm) oder PP (Polypropylen; Wasseradsorption: 0,01% , Wasserdampfpermeation: 1,5–3,0 g/m²·24 h/0,1 mm). Wenn Rahmen mit höherer Wasserdampfpermeation verwendet würden, würde sich Tau auf Elektrodenoberflächen oder ähnlichem bilden, speziell an der wärmeaufnehmenden Seite (Niedertemperaturseite), was Kurzschlüsse, Elektrodenkorrosion, erhöhte Wärmeresistenz oder ähnliches bewirkt. Als Material für den wärmeabfuhrseitigen Rahmen und den wärmeaufnahmeseitigen Rahmen wird deshalb bei der vorliegenden Erfindung eines mit geringer Wasserdampfpermeation gewählt.
Bei dieser Ausführungsform verwenden die beiden wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-1, 6-2 Polypropylensulfid (PPS) mit einem Füller, wie zum Beispiel Glasfasern, der bei einem Gehalt von 20 bis 70 Gew.-% eingemischt und dispergiert ist, vorzugsweise 30 bis 70 Gew.-% , weil füllerverstärktes PPS eine geringe Wasserdampfpermeation und Wärmeleitfähigkeit aufweist und eine lineare Ausdehnung in der Nähe derjenigen des Halbleiters der Gruppe der Thermoelemente 3 hat. Ein Gehalt an Füller, wie zum Beispiel Glasfasern, der geringer ist als 20 Gew.-% führt zu einer großen linearen Ausdehnung, während ein Gehalt größer als 70 Gew.-% in einer schlechten Formbarkeit resultiert. Es ist deshalb notwendig, den Gehalt innerhalb eines Bereichs von 20 bis 70 Gew.-% einzustellen.
Mit PPS, das 30 bis 60 Gew.-% Glasfasern enthält, kann der lineare Ausdehnungskoeffizient in einem Bereich von 18 bis 23·10^–6/°C in einer Formflussrichtung eingestellt werden. Dieser Wert ist annähernd der gleiche wie die linearen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials (16 bis 22·10^–6/°C) und der lineare Ausdehnungskoeffizient von Aluminium, das für die Wärmetauscherbasen verwendet wird (22 bis 23·10^–6/°C). Die Wärmeleitfähigkeit von solchen Glasfasern verstärktem PPS ist 1,17 bis 2,05 [kJ/m·h·°C] (0,28 bis 0,49 [kcal/m·h·°C]) niedrig.
Wie in 1 gezeigt ist, verteilt sich Wasser 15 als Wärmeübertragungsmedium in alle Richtungen in dem ersten Raum 11, wenn es durch die zentrale Zuführungsröhre 9 zugebracht wird. Das Wasser wird dann stark durch die jeweiligen Düsen 7e (Verteilungslöcher 7d) zur oberen Oberfläche der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 eingespritzt. Das Wasser 15, welches auf die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 aufgetroffen ist und Wärme von der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 absorbiert hat, breitet sich im engen zweiten Raum 13 aus, strömt durch den Ablaufkanal 12 und wird dann durch das Ablaufrohr 10 aus dem System abgelassen. Das abgelassene Wasser 15 wird durch ein nicht dargestelltes Gebläse oder durch Selbstkühlung gekühlt und dann durch ein System mit erzwungener Rückführung wieder verwendet.
Mit dem Bezugszeichen 28 ist in 1 ein Wärmeisolator bezeichnet, der angeordnet ist, um äußere Umfangsabschnitte des ersten wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6-1, der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 und des zweiten wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6-2 zu bedecken. Dieser Wärmeisolator 28 wird ebenfalls bei den thermoelektrischen Apparat gemäß den anderen Ausführungsformen angebracht, jedoch wird die Darstellung des Wärmeisolators 28 in den Zeichnungen der anderen Ausführungsformen weggelassen, um die Zeichnungen zu vereinfachen. Es ist zu bemerken, dass der Wärmeisolator 28 nicht unbedingt notwendig ist.
Bei dieser Ausführungsform sind der erste wärmeabfuhrseitige Rahmen 6-1 und der zweite wärmeabfuhrseitige Rahmen 6-2 als diskrete Elemente angeordnet. Es ist jedoch möglich, den ersten wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-1 und den zweiten wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-2 zu einer integralen Einheit auszubilden oder die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 und den zweiten wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6-2 zu einer integralen Einheit auszubilden.
Unter Bezugnahme auf 4 wird der thermoelektrische Apparat gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform wird ein verlängerter Abschnitt 2a der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 zu einem horizontal erstreckten äußeren Flanschabschnitt 2b ausgebildet. Andererseits wird ein verlängerter Abschnitt 6-1b des ersten wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6-1 ebenfalls an seinem unteren Teil zu einem äußeren Flanschabschnitt 6-1g ausgebildet. Eine Klebeschicht 14 wird zwischen die beiden äußeren Flanschabschnitte 2b und 6-1g eingebracht, so dass der verlängerte Abschnitt 2a der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 und der verlängerte Abschnitt 6-1b des ersten wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6-1 integral miteinander verbunden sind.
Die Klebeschicht 14 ist bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform im Wesentlichen parallel zum verlängerten Abschnitt 2a angeordnet und bei der zweiten Ausführungsform im Wesentlichen im rechten Winkel zum verlängerten Abschnitt 2a angeordnet. Die verlängerten Abschnitte 2a, 6-1b können ihrer Form so verändert werden, dass die Klebeschicht 14 sich schräg zum verlängerten Abschnitt 2a erstreckt.
Der thermoelektrische Apparat gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Der thermoelektrische Apparat ist prinzipiell auf einem wärmeabsorbierenden Bauteil 1, das an einer gekühlten Seite anzuordnen ist, einem wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2, einer Gruppe von Thermoelementen 3, einer wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4, einem wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 5, einen wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6 und einem Verteilungsbauteil 7 zusammengesetzt.
Der wärmeaufnahmeseitige Rahmen 5 liegt in der Form einer Hohlform vor, die durch ihre oberen und unteren Teile offen ist, hat einen Basisendabschnitt 5a und einen verlängerten Abschnitt 5b, der sich nach oben von einem inneren Umfangsabschnitt des Basisabschnitts 5a erstreckt, und hat im Wesentlichen einen L-förmigen Querschnitt. In einer unteren Oberfläche des Basisendabschnittes 5a ist eine Nut ausgebildet, in welcher ein O-Ring 8 aufgenommen wird, wodurch die untere Oberfläche des Basisendabschnitts 5a in einer flüssigkeitsdichten Weise mit einem Umfangsabschnitt der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 verbunden wird.
Der wärmeabfuhrseitige Rahmen 6 liegt in der Form einer Hohlform vor, im Wesentlichen an seinem unteren Teil geschlossen, jedoch offen durch seinen oberen Teil. Ein Umfangskantenabschnitt einer unteren Öffnung ist mit einem Basisaufnahmeabschnitt 6a versehen, an dem ein Umfangsabschnitt der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 in flüssigkeitsdichter Weise angefügt wird. Ein verlängerter Abschnitt 6a ist so angeordnet, dass er sich nach oben von einem inneren Umfangsabschnitt des Basisaufnahmeabschnitts 6a erstreckt. In der Umgebung eines oberen Endes des verlängerten Abschnitts 6 ist ein Klebemittelaufnahmeabschnitt 6c so ausgebildet, dass er sich nach außen derart erstreckt, dass der Klebemittelaufnahmeabschnitt c in Kontakt mit einer inneren Oberfläche des verlängerten Abschnittes 5b des wärmeaufnahmeseitigen Rahmens 5 bleibt.
Ein geschlossener Abschnitt 6d ist so ausgebildet, dass er sich nach innen von dem oberen Ende des verlängerten Abschnitts 6b erstreckt. Der geschlossene Abschnitt 6a ist im Wesentlichen an seinem Mittelteil mit einer Zuführungsleitung 9 versehen, und benachbart zu seiner Umfangskante mit einer Abfuhrleitung (nicht gezeigt).
Das Verteilungsbauteil 7 ist integral aus einer Umfangswand 7a, einer Bodenwand 7b, die sich nach innen vom unteren Ende der Umfangswand 7a erstreckt, und einem Flanschabschnitt 7c ausgebildet, der sich nach außen von einer vertikalen Mittelposition der Umfangswand 7a erstreckt. Die Bodenwand 7b ist mit einer Anzahl von Verteilungslöchern 7d versehen, welches sich in der Richtung der Dicke der Bodenwand 7b erstrecken. Ferner sind Abfuhrlöcher mit relativ großem Durchmesser (nicht gezeigt) durch den Flanschabschnitt 7c in seinen vier Ecken ausgebildet.
An einer oberen Oberfläche der Umfangswand 7a und einer äußeren Umfangsoberfläche des Flanschabschnittes 7c ist das Verteilungsbauteil 7 jeweils in flüssigkeitsdichter Weise mit einer inneren Oberfläche des geschlossenen Abschnitts 6d und einer inneren Umfangsoberfläche des verlängerten Abschnitts 6b des wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6 zusammengefügt. Als Resultat dieser gefügten Fixierung des Verteilungsbauteils 7 innerhalb des wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6 wird ein erster Raum 11 in einer abgeflachten Form durch die Umfangswand 7a und die Bodenwand 7b des Verteilungsbauteils 7 und den geschlossenen Abschnitt 6d des wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6 definiert, ein Abfuhrkanal 12 wird in Verbindung mit den Abführlöchern durch die Umfangswand 7a und dem Flanschabschnitt 7c des Verteilungsbauteils 7, einen Teil des verlängerten Abschnitts 6b und einen Teil des geschlossenen Abschnitts 6d des wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6 gebildet, und ein zweiter Raum 16 wird in abgeflachter Form zwischen der Bodenwand 7b des Verteilungsbauteils 7 und der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 definiert.
Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2, die Gruppe der Thermoelemente 3 und die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 übereinander in der Vertikalrichtung so gestapelt, dass sie zusammenhängend angeordnet sind. Der verlängerte Abschnitt 5b des wärmeaufnahmeseitigen Rahmens 5, welcher mit der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 verbunden ist, und der verlängerte Abschnitt 6b des wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6, welcher mit der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 verbunden ist, erstrecken sich im Wesentlichen in derselben Richtung an einer Wärmeabfuhrseite der Gruppe der Thermoelemente 3. Ferner sind der verlängerte Abschnitt 5b und der verlängerte Abschnitt 6b in gas- und flüssigkeitsdichter Weise miteinander verbunden, indem ein Klebemittel 14, beispielsweise ein Epoxid-Klebemittel, in eine Ausnehmung eingespritzt wird, die durch Teile der verlängerten Abschnitte 5b, 6b und dem Klebemittel-Aufnahmeabschnitt 6c gebildet wird, und dann durch das Befestigen des Klebemittels 14 an diesem Ort. Die Wasserströmung 15 ist im Wesentlichen dieselbe wie bei der ersten Ausführungsform, und ihre Beschreibung wird weggelassen. Bei dieser Ausführungsform kann die Ausnehmung, in welche hinein das Klebemittel 14 eingespritzt wird, tiefer ausgebildet werden, und die verlängerten Abschnitte 5b, 6b können allmählich in der Dicke in Richtung nach unten größer gemacht werden, so dass der Abstand zwischen den einander gegenüberstehenden Oberflächen der verlängerten Abschnitte 5b, 6b allmählich in Richtung nach unten kleiner wird.
Die 6 zeigt die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein verlängerter Abschnitt 5b des wärmeaufnahmeseitigen Rahmens 5 in einer zurückgeführten Form (nicht linearen Form) angeordnet, Positionierungsstifte 26 sind so angeordnet, dass sie sich über den wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 5 und den wärmeabfuhrseitigen Rahmen 6 erstrecken, und der wärmeaufnahmeseitige Rahmen 5 und der wärmeabfuhrseitige Rahmen 6 sind integral mit einer Klebemittelschicht 14 miteinander verbunden. Die Anordnung des verlängerten Abschnitts 5b in zurückgeführter Form versieht den verlängerten Abschnitt 5b mit einer längeren Kriechstrecke, wodurch es möglich ist, die Rückführung von Wärme durch den wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 5 zu reduzieren.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Gruppe Thermoelemente 3 mit einem Wärmeaufnahmebauteil ein als Rippenbasis mit oder ohne einen dünnen Film 38, der dazwischen angeordnet ist, verbunden.
Bei der Konstruktion gemäß der eine wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 und eine wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 einander gegenüber angeordnet sind, besteht potentiell das Problem einer Verringerung des Wirkungsgrades der thermoelektrischen Umwandlung, weil Wärme von der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 zur wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 zurückkehrt, wie dies oben bemerkt wurde. Die 7 und 8 zeigen spezielle Beispiele, die in Hinsicht auf dieses potentielle Problem ausgebildet wurden. Es ist zu bemerken, dass andere Bauteile wie das wärmeaufnehmende Bauteil 1 und das Verteilungsbauteil 7 in diesen Zeichnungen zur Vereinfachung weggelassen wurden.
Die 7 zeigt die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Um die Oberfläche der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 an einer Seite gegenüberliegend der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 kleiner zu machen und größer an einer Seite, die mit dem wärmeaufnehmenden Bauteil (siehe 1) verbunden ist, ist die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 an der Seite des Wärmeaufnahmebauteils 1 mit einem vergrößerten Abschnitt versehen. Ferner ist die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 an einer ihrer Seitenwände durch einen weggeschnittenen Wärmeübergangsabschnitt 42 bedeckt, welcher sich von einem wärmeaufnahmeseitigen Rahmen 5 nach außen erstreckt.
Die 8 zeigt die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 zu einem abgestuften Abschnitt 41 ausgebildet, mit einer oder mehreren Stufen zwischen einem Mittelabschnitt der Basis 2, wo die Basis in engem Kontakt mit einer Gruppe Thermoelemente 3 gehalten wird, und einem Umfangskantenabschnitt der Basis 2, so dass die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 im Querschnitt eine bergartige Form aufweist. Die Bereitstellung des abgestuften Abschnitts 41 hat es möglich gemacht, die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 so weit wie möglich von der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 am Umfangskantenabschnitt, entfernt von dem Mittelabschnitt anzuordnen, wo die Basis 2 gegenüber der Gruppe der Thermoelemente 3 liegt, wodurch die Rückführung von Wärme zum Umfangskantenabschnitt der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 reduziert werden kann.
Zusätzlich wird eine Wärmebarriere 43 an einem Umfangsabschnitt der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 und der Oberfläche des weggeschnittenen Wärmeübergangsabschnittes 42 ausgebildet. Dieses Wärmebarriere 43 ist beispielsweise aus kurzen Fasern (Faserlänge: 0,5 bis 1 mm oder ähnlich) ausgebildet, wie zum Beispiel Polyamidfasern, Polyesterfasern, Polyacrylonitrilfasern, Polyolefin-Synthetikfasern oder Fluor enthaltende Synthetikfasern; bondiertes feines Pulver wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Glas, Diatomenerde oder Titanoxid; oder aus einem wärmeisolierenden Band (Bahnmaterial) mit einem auf einer Seite aufgebrachten Klebemittel.
Als eine Alternative kann diese Wärmebarriere 43 an der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 oder auf einer Oberfläche des weggeschnittenen Wärmeübergangsabschnittes 42 angeordnet werden, wobei die Oberfläche der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 gegenüberliegt.
Als Wärmeisolierungsschicht ist es ebenfalls möglich, ein Material einzufüllen, das eine Wärmeleitfähigkei hat, die geringer ist als die von Luft, beispielsweise superfeine Teilchen eines Metalloxids, wie zum Beispiel Titanoxid oder ein Gas, wie zum Beispiel Argongas, und zwar in einen Raum zwischen der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 und der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4.
Bei den oben beschriebenen fünften und sechsten Ausführungsformen erstrecken sich der verlängerte Abschnitt 5b des wärmeaufnahmeseitigen Rahmens 5 und der verlängerte Abschnitt 6b des wärmeabfuhrseitigen Rahmens 6 beide zur Wärmeabfuhrseite der Gruppe der Thermoelemente 3. Es ist jedoch möglich, sowohl den verlängerten Abschnitt 5b als auch den verlängerten Abschnitt 6b an der Wärmeaufnahmeseite der Gruppe der Thermoelemente 3 zu haben.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen sind die verlängerten Abschnitte durch eine Klebemittelschicht 14 miteinander verbunden. Das Verfahren zu ihrer Verbindung ist jedoch nicht auf die Verwendung der Klebemittelschicht 14 beschränkt. Andere Verbindungsverfahren, wie zum Beispiel Ultraschall-Bondierung, Bolzenbefestigung und eine Kombinatioin dieser können ebenfalls verwendet werden.
Wenn man den Wirkungsgrad beim Zusammenbau des thermoelektrischen Apparats gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen in Betracht zieht, ist es vorzuziehen, die Gruppe der Thermoelemente 3 an einer der Wärmetauscherbasen (beispielsweise der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4) über eine Lotschicht oder eine Klebemittelschicht zu befestigen und die andere Wärmetauscherbasis (beispielsweise die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2) mit der Gruppe der Thermoelemente 3 entweder direkt in Kontakt zu bringen oder über eine Schicht oder ein Bauteil mit guter Wärmeleitung.
Die Querschnittsansicht der 9 zeigt die siebente Ausführungsform während ihres Zusammenbaus. Die oben beschriebene Verbesserung für den Herstellungsprozess ist bei dieser Ausführungsform eingearbeitet worden. Bei dieser Ausführungsform ist die Wärmetauscherbasis 2 aus einer Metallplatte 30, wie zum Beispiel einer Aluminiumplatte, zusammengesetzt, mit einem elektrisch isolierenden Film 31 aus anodisiertem Aluminiumoxid oder ähnlichem, der auf einer Seite der Metallplatte 30 ausgebildet ist. Andererseits ist die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 ebenfalls aus einer Metallplatte 32 aufgebaut, wie zum Beispiel einer Aluminiumplatte, mit einem elektrisch isolierenden Film 33 aus anodisiertem Aluminiumoxid oder ähnlichem, der auf der einen Seite der Metallplatte 32 ausgebildet ist.
Wie in der Zeichnung gezeigt ist, sind die wärmeabfuhrseitigen Elektroden 34 mit Lot oder ähnlichem an dem elektrisch isolierenden Film 33 bondiert, der an der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 ausgebildet ist. Ferner sind P-Typ-Halbleiterschichten 35 und N-Typ-Halbleiterschichten 36 mit Lot oder ähnlichem an die wärmeabfuhrseitigen Elektroden 3 bondiert. Zusätzlich sind die wärmeaufnahmeseitigen Elektroden 37 mit Lot oder ähnlichem an die P-Typ-Halbleiterschichten 35 und die N-Typ-Halbleiterschichten 36 bondiert. Eine Gruppe von Thermoelementen 3 ist aus den wärmeabfuhrseitigen Elektroden 34, den P-Typ-Halbleiterschichten 35, den N-Typ-Halbleiterschichten 36 und den wärmeaufnahmeseitigen Elektroden 37 aufgebaut. Die Gruppe der Thermoelemente 3 ist wiederum an der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 befestigt, wie oben beschrieben wurde. An dem elektrisch isolierenden Film 31, der an der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 2 ausgebildet ist, ist andererseits ein dünner Film 38 mit hoher Wärmeleitfähigkeit und mit einer Flexibilität und Elastizität bei einem Bereich ausgebildet, der breiter ist als ein Bereich der Gruppe der Thermoelemente. Als ein solcher dünner Film 38 kann ein organisches Material, das einen darin eingemischten und verteilten feinen Füller umfasst und eine Gummielastizität aufweist, verwendbar. Bei dieser Ausführungsform wird ein Siliziumgummi [zum Beispiel „SE4440" (Handelsname, Produkt der Dow Corning Toray Silicone Co., Ltd.)] mit einem darin eingemischten und verteilten feinen Füller verwendet. Was die Eigenschaften dieses Siliziumgels nach dem Härten angeht, hat es eine Wärmeleitfähigkeit in der Höhe von 7,5 × 10^–3 (J/cm·°C·s) (1,8 × 10^–3 (cal/cm·°C·s), die Penetration ist 60 (gemessen durch JIS K2220), und eine gute Gelelastizität. Nebenbei bemerkt ist eine geeignete Dicke des dünnen Films 38 500 μm oder weniger.
Wie oben beschrieben wurde, kann die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 thermisch leicht und sicher mit der Gruppe der Thermoelemente 3 über den dünnen Film 38 mit guter Wärmeleitfähigkeit verbunden werden, indem die Gruppe der Thermoelemente 3 an der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 befestigt wird, eine der Wärmetauscherbasen, nämlich die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2, mit dem elastischen dünnen Film 38 versehen wird, und dann die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 und die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 näher aneinandergebracht werden, um die Gruppe der Thermoelemente gegen den dünnen Film 38 zu drücken.
Die 10 zeigt die achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Lastaufnahmebauteile 39 werden anstelle der wärmeaufnahmeseitigen Elektroden 37 verwendet. Diese lastaufnehmenden Bauteile 39 sind aus einem elastischen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und guter elektrischer Leitfähigkeit gemacht, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, und sie sind jeweils an ihren gegenüberliegenden Enden zu U-Formen gebogen. Jedes Lastaufnahmebauteil kann ebenfalls in Z-Form oder S-Form gebogen werden, anstelle der U-Formen.
Die Lastaufnahmebauteile 39, welche zu den U-Formen, Z-Formen oder S-Formen gebogen sind, wie dies oben beschrieben wurde, können einer elastischen Deformation in der Stapelrichtung der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2, der Gruppe der Thermoelemente 3 und der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 unterzogen werden, und in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung (mit anderen Worten sowohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung, wie in der Zeichnung gesehen). Das Bereitstellen der Lastaufnahmebauteile 39 kann deshalb wirksam eine Last aufnehmen, die in der Stapelrichtung auftritt, und in der Richtung senkrecht zu der Stapelrichtung, und zwar durch wiederholte Wärmezyklen, so dass die Thermoelemente 3 von den nachteiligen Effekten solcher Lasten geschützt werden können. Ferner macht es die Bereitstellung der Lastaufnahmebauteile 39 möglich, den Abstand zwischen der wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis 2 und der wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 zu erhöhen, so dass der Wärmeverlust in anderen als den Räumen der Halbleiterschichten 35, 36 reduziert werden kann.
Die achte Ausführungsform ist unter Verwendung eines Beispiels für den thermoelektrischen Apparat beschrieben worden, welches als die wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 2 und die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 die Metallplatten 30, 32, (wie zum Beispiel Aluminiumplatten) mit elektrisch isolierenden Filmen 31, 33 (wie zum Beispiel anodisierten Aluminiumoxidfilmen), ausgebildet auf einer Seite der Metallplatten 30, 32, verwendet. Im Vergleich mit Basen, die aus Keramik gemacht sind, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, haben die Basen 2, 4 dahingehend Vorteile, dass sie einen geringeren Wärmewiderstand aufweisen und weniger Schäden an der Gruppe der Thermoelemente 3 bewirken, wenn ein Wärmezyklus wiederholt wird. Die oben beschriebenen, elektrisch isolierenden Filme 31, 33 aus anodisiertem Aluminiumoxid werden durch Anodisation oder ähnliches ausgebildet.
Eine perfekte Ausbildung der elektrisch isolierenden Filme 31, 33 auf den Oberflächen der Metallplatten 30, 32 wird jedoch von den Nachteilen begleitet, dass hohe Herstellungskosten und lange Herstellungszeiten notwendig werden.
Die 11 und die 12 zeigen die neunte Ausführungsform, die in Hinsicht auf die obigen Nachteile ausgestaltet worden ist. Die 11 zeigt einen Herstellungsprozess einer Basis 2(4), während die 12 die Basis 2(4) im Querschnitt zeigt.
Zunächst wird ein elektrisch isolierender Film 33(31) aus Aluminium oder ähnlichem durch Anodisieren auf einer Seite einer Metallplatte 32(30) aus Aluminium oder ähnlichem ausgebildet. Ein Harzbasis-Beschichtungsansatz 46 wird dann in gleichmäßiger Dicke auf den elektrisch isolierenden Film 33(31) durch eine Beschichtungswalze 45 aufgebracht, wodurch eine Harzbeschichtung 47 ausgebildet wird. Die Harzbeschichtung 47 kann ebenso durch ein anderes Verfahren ausgebildet werden, wie zum Beispiel Schleuderbeschichtung oder Bedrucken, obwohl bei dieser speziellen Ausführungsform die Beschichtungswalze 45 verwendet wird.
Für den Harzbasis-Beschichtungsansatz 46 sind eine Vielzahl synthetischer Harze verwendbar, einschließlich Polymidharze, Polyamidharze, Polyesterharze, Acrylharze, Vinylharze, Polyolefinharze, Celluloseharze und Gummiharze. In Hinsicht auf seine Aufbringung auf die wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4, wird ein thermoplastisches Harz mit einer Wärmewiderstandsfähigkeit, wie zum Beispiel Polymid, Polyamid-Imid- oder Polyesterharz speziell bevorzugt.
Es ist erwünscht, die Dicke der Harzbeschichtung 47 auf einen Bereich von 1 bis 20 μm einzuschränken, vorzugsweise einen Bereich von 3 bis 10 μm. Eine Beschichtungsdicke geringer als 1 μm resultiert in der Ausbildung von Nadellöchern in der Harzbeschichtung 47, so dass die Harzbeschichtung 47 ihre Funktion, die elektrische Isolierung zu ergänzen, nicht ausüben kann. Eine Beschichtungsdicke größer als 20 μm führt andererseits zu einer Erhöhung des Wärmewiderstandes durch die Harzbeschichtung 47. Beschichtungsdicken außerhalb des obigen Bereichs sind deshalb nicht bevorzugt. Bei dieser Ausführungsform wird eine Harzbeschichtung aus einem Polyimidharz mit einer Dicke von ungefähr 5 μm als Harzbeschichtung 47 verwendet.
Um die Metallplatte 30 mit der darauf ausgebildeten Harzbeschichtung 47 als wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis 7 zu verwenden, wird die Metallplatte 30 zu einer vorbestimmten Größe geschnitten und dann, wie sie ist, als wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 2 verwendet.
Die 11 und 12 zeigen den Fall, dass die Metallplatte 32 mit der darauf ausgebildeten Harzbeschichtung als wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis 4 verwendet wird. Ein Elektrodenmaterial 48 – welches in Form einer Folie vorliegt und beispielsweise aus Kupfer gemacht ist – wird über der Harzbeschichtung 47 befestigt. Sie werden durch Heißdruckwalzen 49a, 49b unter Wärme zusammengedrückt, wodurch das Elektrodenmaterial 48 auf die Metallplatte 32 bondiert und fixiert wird, in dem man sich die Wärmefusionseigenschaft der Harzbeschichtung 47 zunutze macht.
Das so geformte Kompositmaterial, welches aus der Metallplatte 32 mit dem darauf ausgebildeten elektrisch isolierenden Film 33, der Harzbeschichtung 47 und dem Elektrodenmaterial 48 besteht, wird auf eine vorbestimmte Größe geschnitten. Das Elektrodenmaterial 48 wird dann einer Ätzbehandlung unterzogen, so dass unnötige Teile entfernt werden, um ein Muster in vorbestimmter Form in das Elektrodenmaterial 48 einzubringen. Eine Nickelplattierung wird dann auf die Oberfläche des verbleibenden Elektrodenmaterials aufgebracht, wodurch wärmeabfuhrseitige Elektroden 34 ausgebildet werden, wie in 12 gezeigt ist. Danach werden P-Typ-Halbleiterschichten 35 und N-Typ-Halbleiterschichten 36 auf den jeweiligen wärmeabfuhrseitigen Elektroden 34 vereinigt, und zwar durch ein Verfahren, das auf dem vorliegenden Gebiet der Technik allgemein bekannt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist das Elektrodenmaterial 48 verwendet worden. Als eine Alternative können die einzelnen wärmeabfuhrseitigen Elektroden 34 dadurch fixiert werden, dass diskrete Teile eines Elektrodenmaterials angeordnet werden, welche vorher zu einer vorbestimmten Form geschnitten worden sind, und zwar in einem vorbestimmten Muster auf der Harzbeschichtung 47, und dadurch, dass sie unter Wärme und Druck auf der Metallplatte 32 vereinigt werden.
Es ist möglich, die Herstellungskosten zu verringern, wenn, wie bei dieser Ausführungsform, die Harzbeschichtung 47 nicht nur verwendet wird, um den elektrisch isolierenden Film 33 zu ergänzen, sondern auch um die wärmeabfuhrseitigen Elektroden 34 zu fixieren.
Als Nächstes wird auf die 13 Bezug genommen, welche die zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Diese zehnte Ausführungsform ist in Hinsicht auf die Erzielung einer Last-Relaxation in Horizontalrichtung ausgestaltet worden. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, wird ein elektrisch isolierender Film 33 auf einer Metallplatte 32 ausgebildet, und wärmeabfuhrseitige Elektroden 34 werden auf der Metallplatte 32 vereinigt, optional mit einer Harzbeschichtung 47, die dazwischen eingebracht wird. Ferner werden P-Typ-Halbleiterschichten 35 und N-Typ-Halbleiterschichten 36 mit den wärmeabfuhrseitigen Elektroden 34 vereinigt, und die wärmeaufnahmeseitigen Elektroden 37 werden dann mit den Halbleiterschichten 35, 36 vereinigt.
Jede wärmeaufnahmeseitige Elektrode 37 ist in ihren beiden Hälften mit Bereichen 40, 40 versehen, wo die Elektrode 37 mit jeweils der zugeordneten P-Typ-Halbleiterschicht 35 oder der N-Typ-Halbleiterschicht 36 vereinigt ist. Zwischen diesen Flächen 40, 40 sind eine erste Kerbe 50a und eine zweite Kerbe 50b parallel zueinander in einer solchen Weise ausgebildet, dass die erste und die zweite Kerbe 50a, 50b sich in versetzter Anordnung jeweils von gegenüberliegenden Seitenkanten der wärmeaufnahmeseitigen Elektrode 37 erstrecken.
Wegen der Ausdehnung und Schrumpfung eines S-förmigen Teils 51, das zwischen den Bereichen 40, 40 ausgebildet ist, kann eine horizontale Last absorbiert werden, wie durch die Pfeile in der Zeichnung angedeutet ist.
Die 14 zeigt die elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche sich dadurch von der ersten Ausführungsform aus 1 unterscheidet, dass die Ausnehmungen 55 gegenüber jeweiligen Düsen 7e auf einer Seite eines Verteilungsbauteils 7 relativ zur wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis 4 ausgebildet sind. Das Bereitstellen einer solchen Vielzahl von Ausnehmungen 55, wie es oben beschrieben wurde, kann die Oberfläche der Wärmetauscherbasis 4 erhöhen und somit zu einer Verbesserung der Leistung beitragen.
Die obigen Ausführungsformen sind unter der Annahme beschrieben worden, dass sie als thermoelektrische Kühlapparate verwendet werden. Es zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung ebenfalls bei thermoionischen Elektrizitätsgeneratoren anwendbar ist.
Da nun die Erfindung vollständig beschrieben worden ist, wird es für Durchschnittsfachleute offensichtlich sein, dass viele Änderungen und Modifikationen an ihr vorgenommen werden können, ohne von dem Geist oder Umfang der hierin aufgezeigten Erfindung abzuweichen.

Claims

Thermoelektrischer Apparat, zusammengesetzt aus einer wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis (2) und einer wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis (4) mit guter Wärmeleitfähigkeit, die einander gegenüberstehend angeordnet sind und zwischen die eine Gruppe von Thermoelementen (3) eingeschoben ist, und umfassend: einen aus einem Kunstharzmaterial bestehenden Rahmen (6-1), der eine dieser Wärmetauscherbasen, entweder die wärmeaufnahmeseitige (2) oder die wärmeabfuhrseitige (4), an einem Abschnitt ihres Aussenumfangs hält, worin dieser Rahmen (6-1) und die andere, nicht durch diesen Rahmen (6-1) gehaltene Wärmetauscherbasis (2) beide mit verlängerten Abschnitten (6-1b, 2a) versehen sind, die sich im Wesentlichen entlang dieser wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis (2), dieser Gruppe von Thermoelementen (3) und dieser wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis (4) sowie im Wesentlichen in der gleichen Richtung wie deren Stapelrichtung erstrecken; und worin diese verlängerten Abschnitte (6-1b, 2a) zusammengefügt sind.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1, worin diese andere, nicht durch diesen Rahmen (b-1) gehaltene Wärmetauscherbasis (2) die Gestalt eines dicken Blockes hat und ein Abschnitt des Aussenumfangs dieses Blocks diesen verlängerten Abschnitt (2a) bildet.
Thermoelektrischer Apparat, zusammengesetzt aus einer wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis (2) und einer wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis (4) mit guter Wärmeleitfähigkeit, die einander gegenüberstehend angeordnet sind und zwischen die eine Gruppe von Thermoelementen (3) eingeschoben ist, und umfassend: einen wärmeaufnahmeseitigen Rahmen (5), der diese wärmeaufnahmeseitige Wärmetauscherbasis (2) an einem Abschnitt ihres Aussenumfangs hält, und einen wärmeabfuhrseitigen Rahmen (6), der diese wärmeabfuhrseitige Wärmetauscherbasis (4) an einem Abschnitt ihres Aussenumfangs hält, worin dieser wärmeaufnahmeseitige Rahmen(5) und dieser wärmeabfuhrseitige Rahmen (6) beide aus Kunstharzmaterial bestehen und dieser wärmeaufnahmeseitige Rahmen (5) und dieser wärmeabfuhrseitige Rahmen (6) beide mit verlängerten Abschnitten (5b, 6b) versehen sind, die sich im Wesentlichen entlang dieser wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis (2), dieser Gruppe von Thermoelementen (3) und dieser wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis (4) sowie im Wesentlichen in der gleichen Richtung wie deren Stapelrichtung erstrecken, und wobei diese verlängerten Abschnitte (5b, 6b) zusammengefügt sind.
Thermoelektrische Apparat nach Anspruch 1 oder 3, worin diese verlängerten Abschnitte (6-1b, 2a; 5b, 6-1b) mit einer Haftschicht (14) zusammengefügt sind.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 4, weiter Positionierstifte (26) umfassend, die sich durch diese verlängerten Abschnitte (2a, 6-1b) hindurch erstrecken.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 4, worin diese Haftschicht (14) im Wesentlichen parallel zu diesen verlängerten Abschnitten (2a, 6-1b) ausgebildet ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 3, worin jeder Rahmen (6-1; 5, 6) aus einem Werkstoff niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 3, worin jeder Rahmen (6-1; 5, 6) aus einem Werkstoff niedriger Wasserdampfdurchlässigkeit besteht.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1, weiter eine Stromversorgungseinheit (19) für die Zufuhr elektrischen Stroms zu dieser Gruppe von Thermoelementen (3) umfassend, wobei diese Stromversorgungseinheit (19) durch diesen Rahmen (6-1) gehalten wird.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1, worin dieser Rahmen (6-1) sich in nichtlinearer Gestalt zwischen einem Basisendabschnitt (6-1a) dieses Rahmens (6-1) und diesem verlängerten Abschnitt (6-1b) dieses Rahmens (6-1) erstreckt, wobei dieser Basisendabschnitt (6-1a) mit dieser einen Wärmetauscherbasis (4) zusammengefügt ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 10, weiter Verstärkungsrippen (6-1c) umfassend, die zwischen einem Basisendabschnitt (6-1a) dieses Rahmens (6-1) und diesem verlängerten Abschnitt (6-1h) dieses Rahmens (6-1) angeordnet sind, wobei dieses Basisendabschnitt (6-1a) mit dieser Wärmetauscherbasis (4) zusammengefügt ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 3, weiter einen den Wärmeübergang sperrenden Abschnitt (42) umfassend, der zwischen dieser wärmeaufnahmeseitigen Wärmetauscherbasis (2) und dieser wärmeabfuhrseitigen Wärmetauscherbasis (4) angeordnet ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 12, worin dieser den Wärmeübergang sperrende Abschnitt (42) mit diesem Rahmen (5) integriert ausgebildet ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 3, weiter eine Wärmeschranke (43) umfassend, die auf einer der einander gegenüberstehenden Oberflächen dieser Wärmetauscherbasen, der wärmeaufnahmeseitigen (2) oder der wärmeabfuhrseitigen, angeordnet ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 3, weiter ein in dieser Gruppe von Thermoelementen (3) angeordnetes, elastisches und mechanische Spannungen aufnehmendes Glied (39) umfassend.
Thermoelektronischer Apparat nach Anspruch 1 oder 3, weiter eine zwischen dieser Gruppe von Thermoelementen (3) und einer (2) dieser Wärmetauscherbasen (2, 4) angeordnete dünne, elastische Schicht (38) umfassend.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 16, worin diese dünne Schicht (38) aus einem Silicongel hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 1 oder 3, worin eine (2) dieser Wärmetauscherbasen (2, 4) eine Finnenbasis ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 3, weiter eine Stromversorgungseinheit (19) für die Zufuhr elektrischen Stroms zu dieser Gruppe von Thermoelementen (3) umfassend, wobei diese Stromversorgungseinheit (19) durch einen (6-1) dieser Rahmen (6-1, 6-2; 5, 6) gehalten wird.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 3, worin zumindest einer dieser Rahmen (6-1, 6-2; 5, 6) sich in einer nichtlinearen Gestalt zwischen einem Basisendabschnitt (6-1a, 6-2a; 5a, 6a) dieses zumindest einen Rahmens und diesem verlängerten Abschnitt (6-1b, 6-2b; 5b, 6b) dieses Rahmens (6-1, 6-2; 5, 6) erstreckt, wobei dieser Basisendabschnitt (6-1a, 6-2a; 5a, 6a) mit der ihm zugehörigen dieser Wärmetauscherbasen (2, 4) zusammengefügt ist.
Thermoelektrischer Apparat nach Anspruch 3 oder 20, weiter Verstärkungsrippen (6-1c) umfassend, die zwischen einem Basisendabschnitt (6-1a, 6-2a; 3a, 6a) eines dieser Rahmen (6-1, 6-2; 5, 6) und diesem verlängerten Abschnitt (6-1b, 6-2b; 5b, 6b) dieses Rahmens (6-1, 6-2; 5, 6) angeordnet sind, wobei dieser Basisendabschnitt (6-1a; 5a) mit der ihr zugehörigen dieser Wärmetauscherbasen (2, 4) zusammengefügt. ist.