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Thermoelektrische Anordnung in Form einer Säule Es ist bekannt, zur
Keizung und Kühlung thermoelektrische Anordnungen zu verwenden, deren Wirkung auf
dem Peltier-Effekt beruht. Derartige Anordnungen bestehen grund;sätzlicb aus einer
Mehrzahl von p- bzw. n-leitenden IIalbleiterschenkeln, die durch metallische Kontaktstücke
miteinander verbunden sind. Es gibt im wesentlichen zwei Bauformen dieser .4nordnungen.
Bei der einen, die die Form eines flachen Blockes hat, liegen die Halbleiterschenkel
parallel nebeneinander; sie sind durch metallische Kontaktbrücken derart miteinander
verbunden, daß sie von dem elektrischen Strom maanderförmig durchflossen werden.
Bei der anderen Bauform sind die Halbleiterschenkel abwechselnd mit metallischen
Wärmetauscher-Elementen linear nebeneinander in Form einer spule angeordnet. Bei
dieser zweiten Bauform ist es auch bekannt, die einzelnen Teile der Säule durch
eine Spann-. vorrichtung unter Druck zusammenzuhalten, derart, daß sowohl der Wärmestrom
wie der elektrische Strom Uber Druckkontakte fließen. Eine solche Anordnung ist
beispielsweise in der DAS 1 067 454 beschrieben; hierbei besteht die opannvorrichtung
aus zwei an den Enden der Säule liegenden federnden Backen, die durch zwei in Längsrichtung
der Säule gefUhrte schrauben miteinander verbunden sind.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische
Anordnung in Form einer Säule, bei der n- und p-leitende Halbleiterschenkel abwechselnd
mit metallischen Wärmetauscher-Elementen linear nebeneinander angeordnet und durch
eine Spannvorrichtung
unter Druck zusammengehalten sind. Sie besteht
darin, daß jeder Halbleiterschenkel an steinen beiden Stirnflächen stoffschlüssig
mit einer Metallplatte verbunden ist, so daß reine Druckkontakte lediglich zwischen
metallischen Bauelementen bestehen. Durch die Erfindung wird eine wesentliche Verbesserung
des Wärmeübergangs von den Stirnflächen der-Halbleiterschenkel zu den Wärmetauscher-Elementen
erreicht. Bei einem reinen Druckkontakt zwischen der Stiruflache des Halbleiterchenkels
und der Oberflache des angrenzenden metallischen Bauelementes tritt an dieser Stelle,
wie sich gezeigt hat, ein erheblicher Temperatursprung auf. Bei einer stoffschlüssigen
erbindung an der gleichen Stelle ist dieser Temperatursprung wesentlich kleiner.
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Dagegen haben reine Druckkontakte, soweit sie zwischen metallischen
Bauelementen bestehen, für den elektrischen Strom und den Wärmestrom nur sehr geringe
Widerstand die bei der vorliegenden Anordnung kaum Ins Gewicht fallen. Wesentlich
ist ferner, daß die Verbesserung des Wärmeübergangs erreicht wird, ohne daß die
einfache Bauweise der Säule aufgegeben wird. Auch bei der Anordnung nach der Erfindung
besteht die Säule aus kleinen Grundeinheiten, die je nach Bedarf zu Säulen verschiedener
Länge zusammengesetzt werden können.
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Die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Stirnflächen der Halbleiterschenkel
und den Metallplatten wird vorzugsweise durch eine Verlötung gebildet; man kann
jedoch, insbesondere bei durch sintern hergestellten Halbleiterschenkeln, durch
Anwendung von hohem Druck und hoher Temperatur eine unmittelbare stoffschlüssige
Verbindung zwischen diesen Teilen erzielen.
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Man kann die mit den Stirnflächen der Halbleiterschenkel verbundenen
Metallplatten unmittelbar als Wärmetauscher-Elemente, z. B. als Kühlbleche, ausbilden.
Es ist jedoch auch möglich, die Metallplatten so auszubilden, daß sie im wesentlichen
nur
die Stirnflachen der Halbleiterschenkel bedecken, und im ubrigen
gesonderte Wärmetauscher-Elemente su--serwenden, die durch Druckkontakte mit den
Metallplatten verbunden sind. Im ersten Fall ist es praktisch unvermeidlich, daß
die Metallplatten (bzw.
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Kühlbleche) einander, in Richtung der Säulenachse gesehen, mehr oder
weniger überlappen. Der daraus entstehende Wärmerückstrom kann dadurch vermindert
werden, daß die Metallplatten im Bereichder Stirnflächen Vertiefungen aufweisen,
durch die der- äußere Abstand der einem Halbleiterschenkel zugeordneten Metallplatten
vergrößert wird.
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Die metallischen Teile der Anordnung, d. h. die Metallplatten und
gegebenenfalls gesondert verwendete Wärmetauscher-Elemente, bestehen mit Vorteil
aus einem gut wärmeleitenden Metall, z. B.
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Kupfer oder Aluminium. Zur Verbesserung des Wä-rmeübergangs können
sie-mindestens an den Flächen, die Durckkontakte bilden, vernickeln und vorzugsweise
zusätzlich verzinnt sein. Statt dessen kann man auch eine Versilberung vorsehen.
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Die Figuren 1 bis 19 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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In den Figuren 1 und 2 ist eine der Grundeinheiten dargestellt, aus
denen die Anordnung nach den Figuren 3 bis 5 zusammengesetzt ist, wobei Fig. 1 die
Grundeinheit von der weite und Fig. 2 in der Draufsicht darstellt. Die Grundeinheit
besteht aus einem zylindrischen Halbleiterschenkel 1 und zwei Met allplatten 3 und
4, die mit den Stirnflächen des Halbleiterschenkels 1 verlötet sind, wobei sich
die Verlötung auf die gesamte Kontaktfläche zwischen den Metallplatten 3 bzw. 4
und dem Halbleiterschenkel 1 erstreckt. Die Metallplatten 3 und 4 sind gleichzeitig
als Wärmetauscher-Elemente (Kühlbleche) ausgebildet; sie können z. B. aus Aluminium
bestehen, das vernickelt und zusätzlich verzinnt ist. Zur Vorbereitung der Verlötung
können
die Stirnflächen des Halbleiterschenkels 1, wie an sich bekannt* mit einer Wismutschicht
versehen werden.
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Die Figuren 3 bis 5 zeigen die gesamte thermoelektrische Anordnung
in zwei eitenansichten bzw. einer Draufsicht. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich
ist, ist die Anordnung ausmehreren übereinandergestapelten Grundeinheiten nach den
Figuren 1 und 2 zusammengesetzt; dabei sind jeweils p-leitende Halbleiterschenkel
1 abwechselnd mit n-leitenden Halbleiterschenkein 2 angeordnet. Zwischen jeweils
zwei Kühlblechen 5 und 4, die benachbarten Grundeinheiten angehören, bestrebt lediglich
ein Druckkontakt. Der Widerstand dieses Druckkontaktes für Wärmestrom und elektrischen
Strom wird durch die Verzinnung der Kühlbleche 3 und 4 niedrig gehalten. An beiden
Enden der säule ist ferner ein metallischer Anschlußwinkel 5 vorgesehen.
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Die aus den Halbleiterschenkeln 1 und 2, den zugeordneten Kühlblechen
3 und 4 und den Anschlußwinkeln 5 gebildete Säule wird durch zwei Schraubbolzen
6 und 7 unter Druck zusammengehalten; jeder Bolzen ist durch ein dbergeschobenes
Isoiierstoffrohr a bzw. 7a thermisch und elektrisch isoliert. Der Kontaktdruck wird
durch vier Federn 8 erzeugt, die sich einerseits gegen die Schraubenmuttern 9, andererseits
über Isolierscheiben 10 gegen die Anschlußwinkel 5 abstützen.
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Zum Schutz gegen atmosphärische Einflüsse und zur Verminderung von
Wärmerückströmen kann die in den Figuren 3 bds 5 dargestellte unordnung in einen
gestrichelt angedeuteten Kunststoffblock 11 vergossen werden, der jedoch die wärmeaufnehmenden
bzw. wärmeabgebenden Teile der Kühlbieche 5 und 4 -frei läßt.
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Der Kunststoffblock 11 kann z. B. aus einet Polyurethan-Hartschaum
bestehen.
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Beim Betrieb der Anordnung nach den Figuren 3 bis 5 liegt an den Anschlußwinkeln
5 5 eine Gleichspannung von einigen Volt.
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Hat diese Gleichspannung die in Fig. 3 eingezeichnete Polarität, so
sind die nach links gerichteten Kühlbleche 3 und 4 kalt, die nach rechts gerichteten
Kühlbleche warm.
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Für bestimiute Anwendungszwecke ist es erforderlich, mehrere der in
den Figuren 3 bis 5 dargestellten Wärmepumpen nebeneinander anzuordnen und thermisch
parallel su betrieben. Hierfür ist es zweckmäßig, auf den freien Seiten der Kunstoffblocke
11 Nuten iia vorzusehen, die sich in Längerichtung des Kunststoffblockes 11 erstrecken.
Bei unmittelbar nebeneinandergesetzten Anordnungen nehmen die Nuten iia elastische
Dichtungsschnüre auf, so daß die Kunststoffblöcke 11 eine dicht abgeschlossene Wand
bilden, die einen Wärmerückstrom durch Luftkonvektion zwischen der -Varm- und Kaltseite
verhindert.
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W-ie aus Fig. 2 ersichtlich ist, überlappen die inneren Teile der
Kühlbleche 3 und 4 einander zum Teil-; der Abstand dieser Teile, die im Betrieb
verschiedene Temperaturen haben, ist gleich der Höhe eines Halbleiterschenkels 1
oder 2. Man kann den Abstand dieser Teile vergrößern und damit den Wärmerückstrom
vermindern, indem man die Kühlbleche 3 und 4 mit Vertiefungen 3a bzw, 4a versieht,
wie des in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist. Der Halbleiterschenkel 1 ist mit
den konvexen Flächen der Vertiefungen 3a und 4a verlötet.
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In den Figuren 8 bis 10 ist eine thermoelektrische Anordnung dargestellts
bei der die Säule aus Haibleiterschenkeln und Wärmetauscher-Elementen (Kühlbiechen)
durch einen einzigen zentralen Bolzen zusammengehalten ist. Die Figuren 8 und 9
zeigen eine Grundeinheit, die aus einem ringförmigen Ralbleiterschenkel 15 und zwei
Kühlblechen 16, 17 besteht. Der Halbleiterschenkel
15 ist mit einer
zentralen Öffnung 15a versehen, die Kühlbleche 16 und 17 weisen entsprechende Durchbrüche
16a bzw.
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17a auf. Auch hier sind die Kühlbleche 16 und 17 mit den ringförmigen
Stirnflächen des Halbleiterschenkels 15 stoffschlüssig verbunden, z. B. verlötet.
Die Gesamtanordnung wird, wie Fig. 10 zeigt, durch einen zentralen Bolzen 18 unter
Federdruck zusammengehalten, der zusammen mit einem übergeschobenen Isolierstoffrohr
19 durch die Öffnungen 16a, tfa, 17a der Grundeinheiten geführt ist. Mit 14 sind
die metallischen Anschlußwinkel bezeichnet. Im übrigen hat die Anordnung grundsätzlich
den gleichen Aufbau wie die Anordnung nach den Figuren 3 bis 5.
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Die Figuren 11 bis 15 zeigen eine thermoelektrische Anordnungnach
der Erfindung bei der die Warmetauscher-lemente (Kühlbleche) mit den Metallplatten,
die stoffschlüssig mit den Stirn flächen der Halbleiterschenkel verbunden sind,
nicht identisch sind. Die. Jrundeinheit besteht hier gemäß den Figuren 14 und 15
aus dem Halbleiterschenkel 20 und den Metallplatten 21, 220 Die Metallplatten 21,
22 weisen einen scheibenförmigen Teil 21a bzw. 22a und einen T-fönaigen Ansatz 21b
bzw, 22bauf. Die T-förmigen Ansatze 21b, 22b dienen zur Zentrierung der Grundeinheiten
innerhalb der Gesamt anordnung, wie später erläutert werden wird. Die scheibenförmigen
Teile 21a, 22a sind mit dem Halbleiterschenkel stoffschlüssig verbunden, z. B. verlötet.
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Als Traversen der Spannvorrichtung, die die ule unter Druck zusammenhält,
sind zwei lsolierstoffleisten 23. 24 mit U-förmigem Profil vorgesehen. Die Isolierstoffleisten
23, 24 sind an beiden Enden der Säule durch U-förmige Metallwinkel 25 und 26 miteinander
verbunden, beispielsweise durch Verschraubung.
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Wie aus den Längsschnitten nach den Figuren 11 und 12 ersichtlieh
ist, besteht die Säule aus den in den Figuren 14 und 15
dargestellten
Grundeinheiten, zwischen denen jeweils zwei Kuhlbleche 27 eingelegt sind. Der Kontaktdruck
wird durch Federn 28 hergestellt, die sich einerseits gegen die Metallwinkel 25,
26t andererseits gegen die Anschlußwinkel 30 abstützen.
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Aus Fig. 13 ergibt sich, daß die Querbalken der T-förmigen ansatze
21b, 22b (vgl. Fig. 14, 15) im Innern des-Profils der. Isolierstoffleisten 23, 24
liegen; dadurch werden d ie in Fi. 14 und 15 dargestellten Grundeinheiten innerhalb
der Gesamtanordnung zentriert. Auch die Kühlbieche 27 besitzen zentrierende Einschnitte
27a, in die die abgewinkelten Teile der Isolierstoffleisten 23, 24 eingreifen.
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Bei Verwendung gesonderter Wärmetauscher-Elemente (Kühlbleche), die
nicht stoffscblüssig mit den Halbleiterschenkeln verbunden sind, kann es on Vorteil
sein, zwischen benachbarten Halbleiterschenkeln mehr als zwei Kühlbleche anzuordnen,
die untereinander durch Druckkontakte verbunden sind. In Fig. 16 ist ein Teil einer
solchen Anordnung mit jeweils vier Kühlbiechen 31 dargestellt, die zwischen den
Halbleiterschenkeln liegen.
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Mit 33 sind die Metallplatten bezeicht, die mit den Halbleiterschenkeln
32 stoffschlüssig verbunden sind.
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Für die Kühlbleche, s. B. die KUhlbleche 31 in Fig. 16, ist Aluminium
wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit und seiner Billigkeit das bevorzugte Material.
Insbesondere bei der Verwendung von mehreren Kühlblechen, die mit Druckkontakt auf
ein anderliegen, ist es Jedoch erforderlich, die Oxidschichten am 3rt der Druckkontakte
z. B. durch eine Vernickelung und Verzinnung der Aluminiumoberflächen zu entfernen,
damit die Ubergangswiderstände für Strom und Wärme nicht zu hoch werden.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann diese Oberflächenbehandlung
von ;riluminium-Kühlblechen dadurch eingespart werden, daß die Kühlbleche durch
einen mit Preßsitz eingedrückten Kupferblock miteinander verbunden werden, wobei
der Kupferblock mit den Metallplatten, die ihrerseits mit den Halbleiterschenkeln
stoffschlüssig verbunden sind, Druckkontakte bildet. Ein derartiges Ausführungsbeispiel
zeigen die Figuren 17 bit Nach Fig. 17 besteht die thermoelektrische Anordnung aus
zylindrischen Halbleiterschenkeln 40 die an beiden otirnflächen mit Kupferscheiben
41 stoffschlüssig verbunden, z. B. verlötet sind. Zwischen je zwei Kupferscheiben
41 ist jeweils ein Wärmetauscher-Element angeordnet, das aus vier Aluminium-Kjhlblechen
42 besteht. Die Kühlbleche 42 sind. durch einen Kupferblock 43 untereinander verbunden,
der mit Preßsitz in entsprechende Öffnungen der Kühlbleche 42 eingedrückt ist.
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Big. 18 zeigt eine Draufsicht auf ein Wärmetauscher-Element iiiit
dem Kühiblech 42 und dem eingedrückten, quaderförmigen Kupferblock 43. Der Kupferblock
43 ist vorzugsweise an seinen Seitenflachen 43a geriffelt; er gräbt sich dann beim
Eindrücken in die Öffnungen der Kühlbleche 42 derart ein, daß die Oxidschichten
des Aluminiums zerstört werden und an der Kontaktfläche ein unmittelbarer metallischer
Übergang gebildet wird. An den Strinflächen des Kupferblockes 43 sind kreisförmige
Aussparungen 43b vorgesehen, in die die Kupferscheiben 41 eingreifen. Die einander
zugekehrten Flächen der Kupferscheiben 41 und der Kupferblöcke 43 sind vorzugsweise
vernickelt.
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Zur Verminderung des Temperaturabfalls von den Kupferblöcken zu den
wärmeabführenden Teilen der Kühlbleche 42 kann es von Vorteil sein, die Kupferblöcke
so auszubilden, daß sie bis
inden breiten Teil der Kühlbleche 42
hineinragen. tin derartiges Ausführungsbeispiel ist in.Fig. 19 dargestellt. Der
wuerschnitt des Kupferblockes, der hier mit 45 bezeichnet ist, divergiert in Richtung
auf den breiten Teil der Kühlbleche 42.
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Die gekrümmte Begrenzungslinie 45a des Querschnitts stimmt etwa mit
einer Isotherme überein, die sichbei Betrieb der Anordnung einstellt.
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Die Anordnung nach Fig. 17 kann z. B. durch eine Spannvorrichtung
mit zwei Bolzen, ähnlich wie es in den Figuren 3 bis 5 dargestellt ist, unter Druck
zusammengehalten werden.
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13 Ansprüche 19 Figuren