DE102021200597B3

DE102021200597B3 - Peltierelement, peltiervorrichtung und verfahren zum herstellen eines peltierelements

Info

Publication number: DE102021200597B3
Application number: DE102021200597.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Pretzl
Original assignee: Daniel Pretzl Hanns Eike Asen GbR Vertretungsberechtigter Ges Daniel Pretzl 94157 Perlesreut; Daniel Pretzl Hanns Eike Asen GbR Vertretungsberechtigter Gesellschafter Daniel Pretzl 94157 Perlesreut
Current assignee: Daniel Pretzl Hanns Eike Asen GbR Vertretungsberechtigter Ges Daniel Pretzl 94157 Perlesreut; Daniel Pretzl Hanns Eike Asen GbR Vertretungsberechtigter Gesellschafter Daniel Pretzl 94157 Perlesreut
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2041-01-23

Abstract

Die Erfindung betriff ein Peltierelement (1) aufweisend eine rohrförmige Innenschale (10) und eine rohrförmige Außenschale (30) und zwischen der Innenschale (10) und der Außenschale (30) angeordnete Halbleiterelemente (20). Die Halbleiterelemente (20) sind in Vertiefungen (12, 32) in der Innen- und Außenschale (10, 30) angeordnet und elektrisch miteinander verbunden, wobei die Halbleiterelemente (20) als Helix (16, 36) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Peltiervorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Peltierelement aufweisend eine rohrförmige Innenschale und eine rohrförmige Außenschale sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements.
Peltierelemente sind aus dem Stand der Technik sowohl als Kühl- bzw. Heizelemente als auch als Stromerzeuger bekannt. Üblicherweise werden Peltierelemente in einer plattenförmigen Bauweise hergestellt, bei welcher die p- und n-dotierten Halbleiter zwischen den beiden Platten angeordnet sind und abwechselnd oben und unten mit Metallbrücken miteinander in Reihe verbunden sind. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird basierend auf dem Peltier-Effekt eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Platten erzeugt. Bei der Umkehrung, dem Seebeck-Effekt, wird durch eine Temperaturdifferenz an beiden Seiten des Peltierelements eine elektrische Spannung erzeugt.
Neben plattenförmigen Peltierelemente sind auch Peltierelemente mit einer zylindrischen Grundform bekannt. Aus US 2004 / 0 101 003 A1 ist ein zylinderförmiger Peltier-Kühler bekannt, der aus mehreren Segmenten besteht, die zu einem rohrförmigen Peltier-Kühler zusammengesetzt werden.
Ferner ist aus DE 10 2013 223 344 B3 ein Peltierelement mit einer zylinderförmigen, fluiddichten Innenwandung und einer zylinderförmigen Außenwandung bekannt. Dazwischen sind entlang des Umfangs abwechselnd n- und p-dotierte Halbleiterelemente angeordnet und abwechselnd innen und außen über elektrische Verbindungselemente miteinander verbunden. Zur Herstellung einer Reihenschaltung werden die p- und n-dotierten Halbleiterelemente sowie die elektrischen Verbindungselemente mittels eines helixförmigen Schnittes in Längsrichtung voneinander getrennt.
Aus DE 10 2016 208 070 A1 ist ein thermoelektrisches Modul bekannt, umfassend mehrere thermoelektrische Elemente, die beabstandet voneinander zwischen einem Substrat einer Heißseite des Moduls und einem Substrat einer Kaltseite des Moduls angeordnet sind. Eine zusammenhängende Einheit aus einer Halterung, den thermoelektrischen Elementen und den Leiterbrücken ist als Ganzes relativ zum jeweiligen Substrat schwimmend gelagert.
US 2012 / 0 266 930 A1 offenbart die Herstellung von zylinderförmigen thermoelektrischen Konversationsmodulen verschiedener Durchmesser und Längen. Hierzu werden die thermoelektrischen Elemente mit elektrischen Verbindungselementen unterschiedlicher Länge verschweißt oder verlötet, sodass man eine Wendel aus thermoelektrischen Elementen erhält.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik besteht die Aufgabe darin, ein Peltierelement bereitzustellen, dessen Form und elektrische Schaltung in einfacher Art und Weise hergestellt und variiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Peltierelement gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Perltierelements gemäß Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens ergeben sich jeweiligen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß weist das Peltierelement eine rohrförmige Innenschale und eine rohrförmige Außenschale auf. Zwischen der Innenschale und der Außenschale sind Halbleiterelemente angeordnet, welche in Vertiefung in der Innen- und in der Außenschale angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Halbleiterelemente sind als Helix angeordnet.
Wie bei Peltierelementen üblich, sind abwechselnd n-dotierte und p-dotierte Halbleiterelemente helixförmig angeordnet und zu einer Reihenschaltung miteinander verbunden. Vorzugsweise sind somit helixförmig abwechselnd n-dotierte und p-dotierte Halbleiterelemente angeordnet, welche wechselseitig an der Innenseite und der Außenseite zu einer Reihenschaltung verbunden sind.
Die Innen- und/oder Außenschale sind vorzugsweise in einem 3D-Druckverfahren oder mittels Spritzgießen hergestellt. Weiter vorzugsweise sind die Innen- und/oder die Außenschale aus Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff, in einem dieser Verfahren hergestellt. Durch ein 3D-Druck oder ein Spritzgießen lassen sich in einfacher Art und Weise rohrförmige Innen- und Außenschalen herstellen, welche an ihrer Außenfläche bzw. Innenfläche Vertiefungen zur Aufnahme der Halbleiterelemente aufweisen. Als rohrförmig wird in diesem Zusammenhang jeder längliche Hohlkörper verstanden, unabhängig von dessen Querschnitt. Vorzugsweise ist das Rohr zylinderförmig ausgebildet; jedoch sind auch polygonale Querschnitte möglich. Alternativ sind auch in einem bekannten Verfahren, beispielsweise dem Extrusionsverfahren, hergestellte Rohre verwendbar, welche anschließend umgeformt werden, sodass die Innen- bzw. Außenfläche Vertiefungen aufweist. In einer weiteren Alternative sind die Innen- und/oder die Außenschale aus einem Keramikmaterial hergestellt, bei welchem die Vertiefungen üblicherweise spanabhebend, insbesondere durch Schleifen hergestellt sind.
Als Halbleitermaterial ist beispielsweise n- und p-dotiertes Bismuttellurid verwendbar. Die Halbleiterelemente sind vorzugsweise als Quader, Zylinder oder Kugel ausgebildet oder weisen eine polygonale Grundfläche auf. Üblicherweise werden die Halbleiterelemente derart angeordnet, dass die runde oder polygonale, insbesondere viereckige Grundfläche auf der Innenschale aufliegt und die Halbleiterelemente sich radial von dieser nach außen erstrecken.
Vorzugsweise sind die Halbleiterelemente in den Vertiefungen gehalten. Hierzu können die Vertiefungen Halterungen für die Halbleiterelemente aufweisen. Derartige Halterungen können über eine entsprechende Auslegung der Dimensionen von den Halbleiterelementen und den Vertiefungen bereitgestellt werden. Eine Variante einer Halterung ist über einen Reibschluss ausbildbar. Bei einer Klemmung der Halbleiterelemente in den Vertiefungen ist jedoch auch darauf zu achten, dass die Dimensionierung sowie die Gestaltung der Oberflächen einen Sprödbruch im Betrieb des Peltierelements aufgrund der Hitze- und Kälteeinwirkung unterbinden. Alternativ ist eine Halterung über eine Rastzunge oder ähnliche formschlüssige Verbindungen herstellbar. Rastzungen oder andere Oberflächengestaltungen sind insbesondere mittels 3D-Druck in einfacher Art und Weise herstellbar.
Benachbarte Halbleiterelemente sind üblicherweise abwechselnd außen und innen miteinander elektrisch verbunden, sodass im Wesentlichen ein mäanderförmiges Rechteckprofil durch die Reihenschaltung der Halbleiterelemente entsteht. Vorzugsweise sind die Vertiefungen als Doppelvertiefung ausgebildet. Eine Doppelvertiefung ist für die Aufnahme von zwei Halbleiterelementen ausgebildet. Zudem sind die beiden Halbleiterelemente in der Doppelvertiefung elektrisch miteinander verbunden. Die beiden Halbleiterelement werden üblicherweise beabstandet voneinander in der Doppelvertiefung gehalten. Hierzu weist die Doppelvertiefung beispielsweise in der Mitte eine Verengung oder einen Steg auf. Die Doppelvertiefungen sind vorzugsweise wohl in der Innenschale als auch in der Außenschale ausgebildet und aufeinander abgestimmt, sodass zwei benachbarte Halbleiterelemente aus unterschiedlichen Doppelvertiefungen auf einer Helix in der Innenschale elektrisch in einer Doppelvertiefung in der Außenschale miteinander verbunden sind.
Die Helix, auf welcher die Halbleiterelemente angeordnet sind, weist vorzugsweise einen Steigungswinkel von 30° bis 50°, vorzugsweise 40° bis 45° auf. Zudem weist ein erfindungsgemäßes Peltierelemente vorzugsweise zwei oder mehr Helices mit Halbleiterelementen auf.
Die Helices verlaufen dabei vorzugsweise parallel zueinander und sind um den gleichen Winkelbetrag in Umfangsrichtung des rohrförmigen Peltierelements voneinander beabstandet. Die Halbleiterelemente auf einer Helix sind üblicherweise in Reihe geschaltet, vorzugsweise über eine elektrische Verbindung in einer Doppelvertiefung. Zudem sind bei mehreren Helices die einzelnen Helices üblicherweise in Reihe geschalten. Vorzugsweise sind zwei benachbarte Helices über eine Doppelvertiefung an einem der Enden der Helices elektrisch verbunden, sodass eine mäanderförmige Reihenschaltung der einzelnen Helices ausgebildet ist.
Die elektrischen Verbindungen bzw. die elektrischen Leiter zwischen den Halbleiterelementen werden vorzugsweise über Leiterbahnen auf der Außenseite der Innenschale und der Innenseite der Außenschale bereitgestellt. Vorzugsweise sind die Außenseiten der Innenschale bzw. die Innenseite der Außenschale mit Leiterbahnen beschichtet. Eine Beschichtung der Oberfläche kann beispielsweise über ein chemisches bzw. elektrochemisches Beschichtungsverfahren, ein Plasmabeschichtungsverfahren oder ein thermisches Beschichtungsverfahren erfolgen. Vorzugsweise wird zur Herstellung der Leiterbahnen zunächst die gesamte Oberfläche beschichtet und anschließend die Oberfläche abgeschliffen und teilweise von der Beschichtung befreit. Lediglich die Beschichtung in den Vertiefungen bleibt erhalten und bildet die Leiterbahn bzw. die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Halbleiterelementen. Alternativ sind die Leiterbahnen durch ein Drucken der Leiterbahnen aus einem leitfähigen Kunststoff, vorzugsweise während des 3D-Druckvorgangs der Innen- bzw. der Außenschale, herstellbar.
Die Leiterbahnen weisen vorzugsweise Kupfer, Aluminium, Graphen oder Graphit auf oder bestehen maßgeblich aus einem dieser Materialien. Dabei sind auch Legierungen oder Kombinationen von verschiedenen Materialien, insbesondere auch der vorstehenden Materialien, mit umfasst.
Bevorzugt ist die Außenschale von einer weiteren rohrförmigen Außenschale umgeben, wobei zwischen der Außenschale und der weiteren Außenschale ebenfalls Halbleiterelemente angeordnet sind. Somit wird insbesondere ein zumindest doppelstöckiges Peltierelement bereitgestellt, welches zwei konzentrisch zueinander angeordnete Peltierelemente umfasst. Demzufolge bildet die Außenschale des inneren Peltierelements die Innenschale des äußeren Peltierelements. Beide Peltierelemente sind dabei separat nutzbar, das heißt weisen eine eigene elektrische Schaltung auf oder sind zusammengeschaltet, insbesondere in Reihe geschaltet.
Die Außenschale bzw. die weitere Außenschale ist vorzugsweise aus mehreren Segmenten gebildet. Dadurch lässt sich die Innenschale segmentweise mit Halbleiterelemente bestücken und anschließend das entsprechende Segment der Außenschale aufsetzen. Das Segment kann sich dabei einen vordefinierten Winkelbereich in Längsrichtung der Außenschale erstrecken oder alternativ helixförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise weisen alle Segmente die gleiche Breite auf.
Die Innenschale ist als fluiddichtes Rohr ausgebildet, sodass durch das Innere der Innenschale ein Fluid geleitet werden kann. Somit lässt sich die Temperatur des durchströmenden Fluides bzw. die Temperaturdifferenz zur Umgebung zur Gewinnung von elektrischer Energie mittels des Peltierelements nutzen. Hierzu ist das Peltierelement vorzugsweise Teil einer Peltiervorrichtung. In einer Peltiervorrichtung ist neben dem Peltierelement ein elektrischer Verbraucher untergebracht. Der elektrische Verbraucher ist vorzugsweise als SMD in das Peltierelement zwischen der Innen- und der Außenschale integriert. Als elektrische Verbraucher werden insbesondere Chips, Sensoren und/oder Funktechnologievorrichtungen angesehen. Eine solche Peltiervorrichtung bildet ein autarkes elektrisches System. Die Peltiervorrichtung bzw. das Peltierelement ist vorzugsweise hermetisch abgeschlossen, das heißt die Innenschale und die Außenschale sind an ihren Stirnseiten verschlossen bzw. miteinander verbunden und die einzelnen Segmente der Außenschale sind ebenfalls derart miteinander verbunden, dass eine geschlossene Außenhülle gebildet ist. Dies schützt zum einen den oder die elektrischen Verbraucher vor Einflüssen aus der Umgebung und darüber hinaus wird die Oxidation der im Peltierelement verwendeten Materialen unterbunden.
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements mit folgenden Schritten: Herstellen einer Innenschale mit Vertiefungen in einer Außenfläche zur Aufnahme von Halbleiterelementen und Herstellen einer Außenschale bestehend aus mehreren Segmenten mit Vertiefungen in einer Innenfläche zur Aufnahme von Halbleiterelementen sowie Herstellen von elektrischen Leitern als elektrische Verbindung für die Halbleiterelemente. Ferner umfasst ist ein segmentweises Einsetzen von Halbleiterelementen in die Innenschale und Aufsetzen der Segmente der Außenschale auf die eingesetzten Halbleiterelemente.
Die Innenschale und/oder die Außenschale werden vorzugsweise durch ein 3D-Druckverfahren oder Spritzgießen hergestellt. Bei diesen Herstellungsprozessen lassen sich die Vertiefungen, in welchen die Halbleiterelemente gehalten sind, mit ausbilden. Durch das Herstellungsverfahren des 3D-Drucks kann die Form der Innenschale und der Außenschale, das heißt beispielsweise die Länge, der Durchmesser oder auch die Anordnung der Vertiefungen zur Aufnahme der Halbleiterelemente in einfacher Art und Weise variiert werden. Alternativ wird die Innen- bzw. Außenschale aus einem Rohrstück hergestellt. Bei der Innenschale werden hierzu in die Außenfläche Vertiefungen insbesondere durch einen materialabtragendes oder ein umformendes Bearbeitungsverfahrens eingearbeitet, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen, Stanzen oder mittels eines Stempels. Bei der Außenschale werden die Vertiefungen in die Innenfläche durch eines der vorstehend beschriebenen Verfahren eingearbeitet. Das Einbringen der Vertiefungen in die Außenschale erfolgt dabei vor oder nach dem Segmentieren des Rohrs in der Herstellung der Außenschale. Grundsätzlich ist die Außenschale als Rohr herstellbar, welches anschließend in Segmente geteilt wird oder es werden einzelne Segmente hergestellt, welche die Außenschale bilden.
Vorzugsweise werden die Leiter in Form von Leiterbahnen durch Beschichten der Innen- und/oder Außenschale hergestellt. Als Beschichtungsverfahren können dabei chemische Beschichtungsverfahren insbesondere auch elektro-chemische Beschichtungsverfahren, thermische Beschichtungsverfahren oder Plasmabeschichtungsverfahren verwendet werden. In einer Alternative der Herstellung der Leiterbahnen werden lediglich die Oberflächenbereiche, welche mit einer Leiterbahn versehen werden sollen, beschichtet. Alternativ wird zunächst die gesamte Innenfläche bzw. Außenfläche der Außen- bzw. Innenschale mit einer Beschichtung versehen. Anschließend wird die Beschichtung an denjenigen Stellen wieder entfernt, welche nicht mit einer Leiterbahn versehen werden soll, das heißt, nicht elektrisch leitend sein sollen. Ein Entfernen der Beschichtung kann beispielsweise durch Ätzen oder Schleifen erfolgen. Ein effektives Schleifen der Oberfläche kann dadurch erfolgen, dass die Leiterbahnen lediglich in Vertiefungen der Oberfläche angeordnet sind. Somit ist die Oberfläche der Leiterbahnen zurückgesetzt und die Leiterbahnen werden beim Schleifen der Oberfläche nicht bearbeitet. Alternativ können die Leiterbahnen auch als Stanzteile hergestellt werden und anschließend auf die Oberfläche bzw. in die Vertiefungen der Oberfläche eingesetzt werden. Die Leiterbahnen können auch über Einlegteile in der Spritzgussform in die Schalen eingebracht werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden die Leiterbahnen auf die Oberfläche gedruckt insbesondere aus einem leitfähigen Kunststoff. Wird ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung der Innenschale bzw. Außenschale verwendet, so werden die Leiterbahnen vorzugsweise in einem Druckvorgang zusammen mit der Innen- bzw. Außenschale hergestellt, indem der Drucker verschiedene Materialen, insbesondere leitfähigen Materialen für die Leiter bzw. Leiterbahnen und Dielektrika für die Innen- bzw. Außenschale verarbeitet.
Vorzugsweise umfasst das Herstellverfahren das Einbringen eines Lötpulvers in die Vertiefungen und Erhitzen des Lötpulvers zum Verbinden der Halbleiterelemente mit den Leiterbahnen. Das Erhitzen erfolgt vorzugsweise induktiv. In einem bevorzugten Verfahren wird das Lötpulver durch die Schwerkraft in den Vertiefungen gehalten. In einem solchen Fall erfolgt das Löten segmentweise. Alternativ oder zusätzlich enthält das Lötpulver magnetische Bestandteile und wird von einem magnetischen Feld in den Vertiefungen gehalten. Das Lötpulver wird in der Regel vor dem Einsetzen der Halbleiterelemente in die Vertiefung eingebracht. Das Lötpulver weist dabei Bestandteile zur Bereitstellung der elektrischen Leitfähigkeit und gegebenenfalls auch ferromagnetische Bestandteile für ein induktives Erhitzen auf. Die elektrische Leitfähigkeit des Pulvers wird in der Regel durch das Aufschmelzen des Pulvers beim Löten erhöht. Lötpulver elektrisch leitende - werden durch Lötvorgang/Aufschmelzen erhöht und magnetische Eigenschaften. Nach dem Einsetzen der Halbleiterelemente wird das Lötpulver induktiv erhitzt. Zum induktiven Erhitzen umfasst das Lötpulver insbesondere Eisen, Nickel oder Zinn. Zinn als Lötpulver hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Wärme von den Leiterbahnen abgezogen wird, sodass ein Erwärmen der Innen- bzw. Außenschale reduziert wird.
Das Einsetzen der Halbleiterelemente erfolgt vorzugsweise segmentweise, weiter vorzugsweise segmentweise in der Gestalt, dass die bestückten Bereiche den Segmenten der Außenschale entsprechen. Das induktive Erhitzen des Lötpulvers erfolgt ebenfalls vorzugsweise segmentweise, das heißt es werden jeweils die Segmente, welche bestückt werden, anschließend auch gelötet. Die Segmente der Außenschale werden, nachdem ein Segmentbereich mit Halbleiterelemente bestückt ist und gegebenenfalls gelötet ist, aufgesetzt oder alternative, nachdem die Innenschale komplett mit Halbleiterelementen bestückt ist. Auch das Verlöten der Halbleiterelemente mit den Leiterbahnen der Außenschale, insbesondere durch induktives Erhitzen eines Lötpulvers, erfolgt vorzugsweise segmentweise, bevor das nächste Segment der Außenschale aufgesetzt wird. Mit dem Herstellverfahren wird vorzugsweise ein erfindungsgemäßes Peltierelement, wie vorstehend beschrieben, hergestellt.
Bevorzugte Ausführungsformen und Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt:

1: Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Peltierelement,
2: eine Innenschale eines erfindungsgemäßen Peltierelements,
3: eine Innenschale bestückt mit Halbleiterelementen eines erfindungsgemäßen Peltierelements,
4: ein Segment einer Außenschale des erfindungsgemäßen Peltierelements,
5: eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Peltierelements, und
6: eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Peltierelements.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Peltierelement 1. Das Peltierelement 1 umfasst eine rohrförmige Innenschale 10 und eine ebenfalls rohrförmige Außenschale 30. Die Innen- wie auch die Außenschale 10, 30 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als zylindrisches Rohr ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Die Außenschale 30 wird aus sechs Segmenten 30a-f gebildet. Die sechs Segmente 30a-f sind als gleichgroße Rohrsegmente ausgebildet und überspannen jeweils einen Winkel von 60°. Sowohl die Innenschale 10 als auch die Segmente 30a-f, welche die Außenschale 30 bilden, sind mittels 3D-Druckverfahren hergestellt.
In 2 ist eine Innenschale 10 des Peltierelements 1 abgebildet. Die Innenschale 10 ist einstückig als zylindrisches Rohr ausgebildet. Somit kann durch das Innere der Innenschale 10 ein Fluid geleitet werden. Die Innenschale 10 weist an ihrer Außenfläche 11 eine Vielzahl von Vertiefungen 12 auf. Die Vertiefungen 12 sind als Doppelvertiefungen 13 ausgebildet, sodass jede Doppelvertiefung 13 zwei Halbleiterelemente 20 beabstandet voneinander aufnehmen kann. Die Doppelvertiefung 13 weist hierzu einen Steg 15 auf, welcher die beiden Vertiefungen 12 zueinander begrenzt. Der Steg 15 ist in Bezug auf die äußere Oberfläche zurückgesetzt, sodass eine Doppelvertiefung 13 gebildet ist, die zurückgesetzt ist. Die Doppelvertiefungen 13 sind auf einer Helix 16 auf der Außenfläche 11 der Innenschale 10 angeordnet. Die Helix 16 weist einen Steigungswinkel α von 42,5° auf. Die vorliegende Ausführungsform umfasst neun Helices 16, welche parallel zueinander verlaufen und gleichmäßig beabstandet zueinander sind.
Die Doppelvertiefungen 13 sind mit einer leitenden Beschichtung 14, im vorliegenden Fall einer Kupferbeschichtung, versehen. Die Beschichtung 14 einer Doppelvertiefung 13 bildet eine Leiterbahn. Bei der Herstellung wird die gesamte Außenfläche 11 der Innenschale 10 mit Kupfer beschichtet. Anschließend wird die Beschichtung 14 auf den nicht zu den Doppelvertiefungen 13 gehörigen Oberfläche, insbesondere der Flächen zwischen der Doppelvertiefungen 13, durch Schleifen entfernt. Somit verbleibt lediglich die Beschichtung 14 auf der Oberfläche der Doppelvertiefungen 13, das heißt in den Vertiefungen 12 samt Steg 15, zurück. Durch die elektrisch leitfähige Beschichtung der Doppelvertiefungen 13 werden die beiden Halbleiterelement 20, welche von je einer Doppelvertiefung 13 aufgenommen werden, elektrisch leitend miteinander verbunden.
3 zeigt eine Innenschale 10, welche mit einer Vielzahl von Halbleiterelementen 20 bestückt ist. Die Halbleiterelemente 20 sind als Quader ausgebildet. In jeder der Doppelvertiefungen 13 sind zwei Halbleiterelemente 20 aufgenommen, wobei eines der Halbleiterelemente 20 ein n-Halbleiter und der jeweils andere Halbleiter ein p-Halbleiter darstellt. Jede Helix 16 ist abwechselnd mit n- und p-Halbleitern bestückt.
In der hier gezeigten Abbildung sind alle Vertiefungen 12 mit Halbleiterelementen 20 bestückt, ohne dass die Außenschale 30 aufgesetzt ist. Je nach Herstellverfahren werden die Halbleiterelemente 20 jedoch bei der Herstellung segmentweise entsprechend den Segmenten 30a-f der Außenschale 30 bestückt und anschließend wird das entsprechende Segment 30a-f der Außenschale 30 aufgesetzt. Die Halbleiterelemente 20 werden in den Vertiefungen 12 durch eine Halterung gehalten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Halterung durch eine entsprechende Dimensionierung von Vertiefung 12 und Halbleiterelement 20 ausgebildet. Alternativ kann die Halterung auch als Clip oder Haltenase ausgebildet sein.
In 4 ist eines der Segmente 30a-f der Außenschalte 30 gezeigt. Die Darstellung zeigt die Innenfläche 31 des Segments 30a-f. Die Innenfläche 31 weist ebenfalls Vertiefungen 32 auf, welche als Doppelvertiefungen 33 ausgebildet sind. Die Doppelvertiefungen 33 sind analog zur Innenschalte 10 ausgebildet. Die Vertiefungen 32 einer Doppelvertiefung 33 sind ebenfalls durch einen Steg 35 getrennt, welcher Steg 35 im Vergleich zur inneren Oberfläche zurückgesetzt ist. Die gesamte Oberfläche der Doppelvertiefung 33 ist mit einer Beschichtung 34 versehen, welche elektrisch leitfähig ist und eine Leiterbahn bildet. Im vorliegenden Fall besteht die Beschichtung aus Kupfer. Die Doppelvertiefungen 33 in der Außenschale 30 sind entlang einer Helix 36 angeordnet. Die Helixform 36 in der Außenschale 30 ist auf die Helix 16 der Innenschale 10 abgestimmt, sodass die Halbleiterelemente 20, mit welchen die Innenschale 10 bestückt ist, in Vertiefungen 32 der Außenschale 30 aufgenommen werden. Somit weist die Außenschale 30 die gleiche Anzahl von parallelen Helices 36 wie die Innenschale 10 auf.
Die Doppelvertiefungen der Außenschale 30 sind derart angeordnet, dass jeweils zwei Halbleiterelement 20 von benachbarten Doppelvertiefungen 13 auf der Innenschale 10 in einer Doppelvertiefung 33 der Außenschale 30 aufgenommen werden. Dadurch entsteht eine Reihenschaltung von Halbleiterelementen 20 entlang einer Helix 16, 33, welche abwechselnd aus n-Halbleitern und p-Halbleitern bestehen. Die einzelnen Helices 13, 33, im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel neun an der Zahl, sind wiederum in Reihe zusammengeschaltet. Vorzugsweise sind hier zwei benachbarte Helices 13, 33 an einem ihrer Enden miteinander verbunden.
Die einzelnen Halbleiterelemente 20 sind darüber hinaus mit einem Lot mit der Beschichtung 14 verbunden. Hierzu wird ein Lötpulver in die Vertiefungen 12 eingebracht, bevor die Halbleiterelemente 20 eingesetzt werden. Nach dem Einsetzen der Halbleiterelemente 20, was segmentweise erfolgen kann, um das Lötpulver schwerkraftgetrieben in den Vertiefungen 12 zu halten, wird das Lötpulver induktiv erhitzt. Dadurch werden die Halbleiterelemente 20 stoffschlüssig mit der Beschichtung 30, welche die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Halbleiterelementen 20 darstellt, verbunden. Zudem wird hierdurch die elektrische Leitfähigkeit erhöht, indem die Übergangswiderstände reduziert werden.
In 5 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Peltierelements 1 gezeigt. Abweichend von der ersten Ausführungsform weist die Innenschale 10 an beiden Enden in Längsrichtung der Rohrform Verlängerungen 17 auf, welche über die Länge der Außenschale 30 hinausragen. Die Verlängerungen 17 weisen ein Außengewinde auf. Hierdurch ist das Peltierelement 1 einfacher Art und Weise in eine Verrohrung einzubringen, um beispielsweise aus dem hindurchfließenden Fluid Energie für eine Sensorik zu entziehen. Zudem weist die Innenschale 10 einen umlaufenden Kragen 18 auf, welche den Spalt zwischen Innenschale 10 und Außenschale 30 an den Stirnseiten verschließt. Dadurch ist das Peltierelement gekapselt. Eine gekapselte Ausbildung ist bevorzugt als Peltiervorrichtung ausgebildet, welche zwischen Innen- und Außenschale 10, 30 einen SMD aufweist, welche vom Peltierelement mit elektrischem Strom versorgt wird.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Peltierelements 1. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform darin, dass die Außenschale 30 Kühlrippen 37 aufweist. Die Kühlrippen 37 sind an der Außenseite der Außenschale 30 angeordnet und stehen strahlenförmig von dieser nach außen ab. Dadurch wird die Wärme von der Außenschale 30 schneller und besser abgeleitet. Hierdurch wird die Temperaturdifferenz zwischen Innenschale 10 und Außenschale 30 verringert, wodurch die Effizienz des Peltierelements 1 verbessert wird.
Bezugszeichenliste

1: Peltierelement
10: Innenschale
11: Außenfläche
12: Vertiefung der Innenschale
13: Doppelvertiefung der Innenschale
14: Beschichtung der Innenschale
15: Steg der Innenschale
16: Helix der Innenschale
17: Verlängerung
18: Kragen
20: Halbleiterelement
30: Außenschale
30a-f: Segmente der Außenschale
31: Innenfläche der Außenschale
32: Vertiefung der Außenschale
33: Doppelvertiefung der Außenschale
34: Beschichtung der Außenschale
35: Steg der Außenschale
36: Helix der Außenschale
37: Kühlrippe

Claims

Peltierelement (1) aufweisend eine rohrförmige Innenschale (10) und eine rohrförmige Außenschale (30) und zwischen der Innenschale (10) und der Außenschale (30) angeordnete Halbleiterelemente (20), welche Halbleiterelemente (20) in Vertiefungen (12, 32) in der Innen- und Außenschale (10, 30) angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Halbleiterelemente (20) als Helix (16, 36) angeordnet sind und die Innenschale (10) einstückig ausgebildet ist.
Peltierelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und/oder Außenschale (10, 30) durch 3D-Druck oder Spritzgießen hergestellt sind.
Peltierelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und/oder Außenschale (10, 30) aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff bestehen.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente (20) als Quader, Zylinder oder Kugeln ausgebildet sind oder eine polygonale Grundfläche aufweisen.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (12, 32) Halterungen für die Halbleiterelemente (20) aufweisen.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (12, 32) als Doppelvertiefungen (13, 33) zur Aufnahme von zwei Halbleiterelementen (20) ausgebildet sind, in welcher Doppelvertiefung (13, 33) die beiden Halbleiterelemente (20) elektrisch miteinander verbunden sind.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Helix (16, 36) einen Steigungswinkel (a) in einem Bereich zwischen 30° und 50°, insbesondere zwischen 40° und 45° aufweist.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterelemente (20) in zumindest zwei parallel verlaufenden Helices (16, 36) angeordnet sind, welche Helices (16, 36) vorzugsweise elektrisch in Reihe geschalten sind.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenfläche (11) der Innenschale (11) und auf der Innenfläche (31) der Außenschale (30) Leiterbahnen (14, 34) zum elektrischen Verbinden der Halbleiterelemente (20) angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Innen- und die Außenschale (10, 30) mit den Leiterbahnen (14, 34) beschichtet sind.
Peltierelement (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (14, 34) Kupfer, Aluminium, Graphen oder Graphit aufweisen.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (30) von einer weiteren rohrförmigen Außenschale umgeben ist, wobei zwischen der Außenschale (30) und der weiteren Außenschale ebenfalls Halbleiterelemente (20) angeordnet sind.
Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschale (30) und/oder die weitere Außenschale aus mehreren Segmenten (30a-f) gebildet ist.
Peltiervorrichtung aufweisend ein Peltierelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche und einen elektrischen Verbraucher, wobei der elektrische Verbraucher als SMD in das Peltierelement (30) zwischen der Innen- und Außenschale (10, 30) integriert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements (1) mit folgenden Schritten: a. Herstellen einer einstückigen Innenschale (10) mit Vertiefungen (12) in einer Außenfläche (11) zur Aufnahme von Halbleiterelementen (20) und einer Außenschale (30) bestehend aus mehreren Segmenten (30a-f) mit Vertiefungen (32) in einer Innenfläche (31) zur Aufnahme der Halbleiterelemente (20) und Leiter als elektrische Verbindungen für die Halbleiterelemente (20), b. Segmentweises Einsetzen der Halbleiterelemente (20) in die Innenschale (10), und c. Aufsetzen der Segmente (30a-f) der Außenschale (30) auf die eingesetzten Halbleiterelemente (20).
Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements (1) nach Anspruch 14, umfassend das Herstellen der Innen- und/oder die Außenschale (10, 30) durch 3D-Druck oder Spritzgießen.
Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements (1) nach Anspruch 14 oder 15, umfassend das Herstellen der Leiter als Leiterbahnen (14, 34) durch Beschichten der Innen- und/oder Außenschalen (10, 30) und vorzugsweise Schleifen der Oberfläche oder durch Drucken der Leiterbahnen aus einem leitfähigen Kunststoff.
Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, umfassend das Einbringen eines Lötpulvers in die Vertiefungen (12, 32) und induktives Erhitzen des Lötpulvers zum Verbinden der Halbleiterelemente (20) mit den Leiterbahnen (14, 34).
Verfahren zum Herstellen eines Peltierelements (1) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei welchem ein Peltierelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird.