DE19680505C2 - Peltier-Effekt-Modul und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Peltier-Effekt-Modul und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Peltier-Effekt-Modul nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des
Moduls.
Ein herkömmliches Peltier-Effekt-Modul (DE-AS 11 96 261), das die vorliegende
Erfindung betrifft, weist eine parallele Anordnung mehrerer Peltier-Effekt-Elemente
auf, bei denen es sich um thermoelektrische Wandlerelemente handelt, die zwischen
zwei Substraten vorgesehen sind. Die Peltier-Effekt-Elemente sind mit den an den
Substraten vorgesehenen Verbindungselektroden verbunden, um die Elemente
elektrisch in Reihe und thermisch parallel zu verbinden. Der Umfangsbereich um die
Peltier-Effekt-Elemente zwischen den Substraten ist versiegelt, um eine gegen
Feuchtigkeit abgedichtete Modulkonstruktion zu erreichen und so die
Verschlechterung der Peltier-Effekt-Elemente infolge des Eindringens von
Feuchtigkeit zu verhindern. Diese Abdichtung kann durch Bilden eines
Dichtungsrahmens aus plastischem Material gemäß DE-AS 11 96 261 oder durch
Füllen des Umfangsbereichs mit einem Butylgummi, Silicongummi oder einem
anderen Dichtungsmittel, wie in der JP 6-174329 A
beschrieben, oder durch Einschließen des Peltier-Effekt-Moduls in einem
versiegelten Beutel, wie in der JP 6-294562 A
beschrieben, erfolgen.
Ein Problem solcher Peltier-Effekt-Module, bei denen eine Dichtung aus
Butylgummi oder Silicongummi gebildet ist, oder bei denen eine Dichtungswand
durch Füllen des Abstands zwischen den Substraten mit einem Kleber gebildet ist,
besteht darin, daß Wasserdampf in das Modul durch den Spalt zwischen dem
verdrehten Kabel und dem bei den Leitungskabeln verwendeten Kunststoffmantel
eindringen kann. Die Haftstärke des Klebematerials nimmt mit der Zeit ebenfalls ab,
wodurch ein Zwischenraum zwischen dem Kleberkörper und dem Substrat entsteht,
durch den Wasserdampf in das Modul eindringen kann. Auf lange Sieht erlauben
diese Ausbildungen also das Eindringen von Wasserdampf und Feuchtigkeit,
wodurch die Bestandteile des Peltier-Effekt-Moduls korrodieren und elektrische
Kurzschlüsse verursacht werden. Entsprechendes gilt bei einem Dichtungsrahmen
aus plastischem Material gemäß DE-AS 11 96 261, bei dem die Elektroden durch den
Dichtungsrahmen hindurchgeführt sind.
Das Verhindern eines Verlusts an Wärmeleitfähigkeit ist bei Peltier-Effekt-Modulen,
die einen Kleber verwenden, ein weiteres Problem.
Das Problem bei Peltier-Effekt-Modulen, die in einem versiegelten Beutel
eingeschlossen sind, sind die schlechten thermischen Eigenschaften. Selbst wenn das
für den umschließenden Beutel verwendete Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist, verringert die Verwendung des Beutels selbst die thermische
Gesamtleitfähigkeit des Moduls erheblich, woraus sich schlechte thermische
Eigenschaften ergeben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Peltier-Effekt-Modul zu schaffen und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben,
das eine verbesserte Dichtigkeit gegen Feuchtigkeit aufweist, ohne dabei die
thermische Leistung oder die Eigenschaften der Anordnung nachteilig zu
beeinflussen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 15.
In gegenständlicher Hinsicht sieht die Erfindung ein Peltier-Effekt-Modul mit einer parallelen Anordnung meh
rerer Peltier-Effekt-Elemente zwischen zwei Substraten vor, wobei die Peltier-
Effekt-Elemente mit an den Substraten vorgesehenen Verbindungselektroden
verbunden sind. Es ist ein Hohldichtungsrahmen vorgesehen, der den Bereich der
Peltier-Effekt-Elementanordnung mit einer Dichtung umgibt, die aus einer
Verbindung der beiden Ränder des Dichtungsrahmens mit den Substraten gebildet
ist. Auf jedem Substrat ist erfindungsgemäß eine die Verbindungselektrodengruppe
in einer geschlossenen Schleife umschließende Energiezufuhrleitung
vorgesehen, wobei beide offenen Enden des Dichtungsrahmens mit dieser
Energiezufuhrleitung verbunden sind. Auf diese Weise sind die
Energiezufuhrleitungen nicht durch den Dichtungsrahmen hindurchgeführt,
so daß eine verbesserte Dichtigkeit des Peltier-Effekt-Moduls erreicht wird.
Der Hohldichtungsrahmen kann eine Vielzahl von Strukturen aufweisen,
beispielsweise kann er als Kunststoffteil mit einer Metallbeschichtung an der
Verbindung mit der Energiezufuhrleitung, als gezogene Edelstahlplatte mit einer
Metallbeschichtung an der Verbindung mit der Energiezufuhrleitung oder als
wasserdicht hergestelltes Papierteil ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist ein Anschlußblock zur Verbindung mit externen Leitungen als Teil
der Energiezufuhrleitung außerhalb des Dichtungsrahmens auf den Substraten
vorgesehen.
Die Substrate bestehen vorzugsweise aus einem geformten Aluminiumteil, das mit
einer Aluminiumoxid- oder Siliziumdioxidschicht versehen ist. Die
Verbindungselektroden und die Energiezufuhrleitung werden vorzugsweise unter
Verwendung eines thermischen Spritzverfahrens ausgebildet. Die beiden Substrate
können außerhalb des Dichtungsrahmens durch mehrere Stützpfosten abgestützt
sein.
Da der Umfangsbereich um die Peltier-Effekt-Elemente zwischen den Substraten
nicht mit einem Dichtungsmittel oder einem haftenden Füllmaterial, sondern unter
Verwendung des an beiden Enden mit den Substraten verbundenen
Hohldichtungsrahmens abgedichtet ist, ist die Fähigkeit zum Verhindern des
Eindringens von Wasserdampf im wesentlichen durch das Material bestimmt, aus
dem der Dichtungsrahmen hergestellt ist. Es ist daher möglich, das Eindringen von
Feuchtigkeit in das Peltier-Effekt-Modul über lange Zeit zu verhindern, indem das
Dichtungsrahmenmaterial in geeigneter Weise ausgewählt wird.
Wenn eine die Gruppe der Verbindungselektroden in einer geschlossenen Schleife
umgebende Energiezufuhrleitung auf jedem Substrat vorgesehen ist, wobei
beide offenen Enden des Dichtungsrahmens mit der Energiezufuhrleitung verbunden
sind, kann auf die Verwendung von Klebern mit deren inhärenten Problemen bei der
Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit verzichtet werden.
Die Herstellung des Dichtungsrahmens ist ebenfalls einfach, wenn der
Dichtungsrahmen aus einem Kunststoffteil mit einer an der Verbindung mit der
Energiezufuhrleitung ausgebildeten Metallbeschichtung gebildet wird. Die
Modulfestigkeit kann auf ähnliche Weise verbessert werden, wenn der
Dichtungsrahmen aus einer gezogenen Edelstahlplatte mit einer an der Verbindung
mit der Energiezufuhrleitung ausgebildeten Metallbeschichtung hergestellt wird. Der
Dichtungsrahmen ist ebenfalls leicht und kostengünstig herstellbar, wenn er aus
einem Papierteil gebildet ist, das durch ein Verfahren wasserdicht gemacht wurde.
Weist das Peltier-Effekt-Modul einen nach außen freiliegenden Anschluß auf, so kann
ebenfalls verhindert werden, daß der Bereich, in dem die Anschlüsse freiliegen, die
Feuchtigkeitsdichtigkeit verringert, indem auf dem Substrat außerhalb des Dichtungs
rahmens ein Anschlußblock zum Anschließen externer Leitungen als Teil der Energie
zufuhrleitung vorgesehen ist.
Bestehen die Substrate aus einem geformten Aluminiumteil mit einer Aluminiumoxid-
oder Siliziumdioxidbeschichtung und sind die Verbindungselektroden und die Energie
zufuhrleitung unter Verwendung eines thermischen Spritzverfahrens gebildet, lassen
sich leicht Substrate mit geeigneten Eigenschaften erzielen. Die mechanische Festigkeit
ist ebenfalls erheblich verbesserbar, wenn die beiden Substrate außerhalb des Dich
tungsrahmens durch mehrere Stützpfosten abgestützt sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß ein Metallverbindungsverfahren zwar als die wirksam
ste Art der Befestigung des Dichtungsrahmens zu erachten ist, jedoch kann ein Kleber
um den Außenumfang des verbondeten Dichtungsrahmens aufgebracht werden, um die
Zuverlässigkeit der Dichtung weiter zu verbessern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun
an Hand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 - eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung eines Peltier-Effekt-
Moduls nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 - eine perspektivische Außenansicht eines Peltier-Effekt-Moduls nach einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 - eine Explosionsdarstellung eines Peltier-Effekt-Moduls nach einem bevor
zugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 - ein Querschnitt durch ein Peltier-Effekt-Modul nach einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 - eine weggeschnittene Vorderansicht eines Substrats, das in einem Peltier-
Effekt-Modul nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung verwendet wird.
Fig. 6 - eine weggeschnittene Vorderansicht des anderen Substrats, das in einem
Peltier-Effekt-Modul nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
Fig. 7 - eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Substrats eines Peltier-Effekt-
Moduls nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 - eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Peltier-Effekt-Moduls nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 - eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Peltier-Effekt-Moduls nach
feinem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 - ein Querschnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungs
gemäßen Peltier-Effekt-Moduls.
Fig. 11(a) - ein vergrößerter Querschnitt durch ein Substrat eines Peltier-Effekt-Moduls
nach dem alternativen Ausführungsbeispiel von Fig. 10, und Fig. 11(b) ist eine per
spektivische Darstellung der Positionierungsbahn.
Fig. 12(a) - eine Seitenansicht und Fig. 12(b) zeigt eine perspektivische Darstellung
eines alternativen Ausführungsbeispiels des Dichtungsrahmens in einem erfindungs
gemäßen Peltier-Effekt-Modul.
Fig. 13 - eine Explosionsdarstellung nach einem alternativen Ausführungsbeispiel des
Dichtungsrahmens in einem erfindungsgemäßen Peltier-Effekt-Modul.
Fig. 14(a) - eine Draufsicht und Fig. 14(b) zeigt einen Querschnitt durch ein alternati
ves Ausführungsbeispiel des Anschlußblocks in einem erfindungsgemäßen Peltier-
Effekt-Modul.
Fig. 15 - einen Querschnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel des Anschluß
blocks in einem erfindungsgemäßen Peltier-Effekt-Modul.
Fig. 16(a) - einen vereinfachten Querschnitt zur Erläuterung des Verfahrens zur Her
stellung eines Peltier-Effekt-Moduls, und Fig. 16(b) zeigt eine einfache Draufsicht auf
die Schnittlinien, die bei der Herstellung der Peltier-Effekt-Elemente verwendet
werden.
Wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, weist das erfindungsgemäße Peltier-Effekt-Modul
mehrere Peltier-Effekt-Elemente 1, zwei Substrate 2, einen Hohldichtungsrahmen 3
und zylindrische Stützpfosten 4 auf, die an den vier Ecken der beiden Substrate 2 zum
Stützen und Verbinden der beiden Substrate 2 miteinander angeordnet sind.
Die Peltier-Effekt-Elemente 1 sind als Paare von p- und n-Elementen ausgebildet, die
in Reihe als π-förmige Paare durch die mehreren Elektroden 10 miteinander verbun
den sind, welche auf den einander gegenüberliegenden Substraten 2 ausgebildet sind.
Somit sind Paare aus p- und n-Peltier-Effekt-Elementen 1 elektrisch in Reihe und
thermisch parallel miteinander verbunden. Beide Enden der durch die Peltier-Effekt-
Elemente 1 und die Verbindungselektroden 10 auf den Substraten 2 gebildeten Reihen
schaltung sind auf den gegenüberliegenden Seiten der Substrate 2 ausgebildet und mit
einer rechteckigen rahmenförmigen Energiezufuhrleitung 11 verbunden, die einen
Anschlußblock 12 zum Anschließen externer Vorrichtungen aufweist.
Eines der Substrate 2 ist in Fig. 5 dargestellt, während das andere in Fig. 6 gezeigt ist.
Die Positionen der Verbindungselektroden 10 zur seriellen Verbindung der Peltier-
Effekt-Elemente 1 sind auf jedem der Substrate 2 versetzt angeordnet. Aus den Figuren
ist ferner ersichtlich, daß die Energiezufuhrleitung 11, die auf jedem der Substrate 2
vorgesehen ist, ein Ringteil ist, das die Fläche in einem geschlossenen Kreis um
schließt, in der die Verbindungselektroden 10 angeordnet sind, d. h., es umschließt die
mehreren Peltier-Effekt-Elemente 1.
Die Substrate 2, die zumindest elektrisch isolierte Oberflächen aufweisen, können aus
einer Bahn aus einem Aluminiumoxid- oder einem Aluminiumnitridkörper oder aus
einer Verbundbahn aus anodisiertem Aluminium, Aluminium mit
einer Beschichtung aus Aluminiumoxid oder Siliziumoxid, oder Kupfer mit einer
dünnen Kleberisolierschicht auf der Bahnoberfläche bestehen. In Anbetracht der in den Sub
straten 2 erforderlichen Eigenschaften und der Leichtigkeit der Herstellung der Sub
strate 2, einschließlich eines noch zu beschreibenden Wärmebelastungsabsorbierers 20,
wird eine Aluminiumbahn 21 bevorzugt, die, wie in Fig. 7 und Fig. 9 dargestellt, mit Keramik 22,
beispielsweise Aluminiumoxid- oder Siliziumdioxidkeramik, beschichtet ist.
Diese Ausbildung vereinfacht ferner die Ausbildung der Verbindungselektroden
10, der Energiezufuhrleitung 11, des Anschlußblocks 12 und anderer Komponenten auf
der Oberfläche der Substrate 2 unter Verwendung des bekannten thermischen Spritz
verfahrens.
Der Dichtungsrahmen 3 dient der Abdichtung des Bereichs, in dem die Peltier-Effekt-
Elemente 1 angeordnet sind, und kann zylindrisch aus ABS oder einem anderen
Isoliermaterial gebildet sein. Beide offene Enden dieses Hohlzylinders sind mit dem
auf jedem der Substrate 2 vorgesehenen und eine geschlossene Schleife bildenden Teil
der Energiezufuhrleitungen 11 verbunden, um eine feuchtigkeitsdichte Dichtung zu
schaffen, welche die Peltier-Effekt-Elementanordnung umgibt. Die Verbindung zwi
schen dem Dichtungsrahmen 3 und den Energiezufuhrleitungen 11 ist, wie in Fig. 7
dargestellt, durch Plattieren oder thermisches Aufspritzen von Kupfer, Nickel, Zinn,
oder einem anderen metallischen Dünnfilm 30 auf die Teile des Dichtungsrahmens 3,
die mit den Energiezufuhrleitungen 11 verbunden sind, gebildet. Dieser metallische Dünnfilm
30 ist mit den Energiezufuhrleitungen 11 hart- oder weichgelötet, um eine
Metallverbindung zu schaffen, die den Dichtungsrahmen 3 und die Energiezufuhrlei
tungen 11 miteinander dicht verbindet. Diese metallische Verbindung ermöglicht den
Verzicht auf ein haftendes Dichtungsmittel, das über die Zeit einer Verschlechterung
und damit dem Eindringen von Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Es sei ferner darauf hinge
wiesen, daß der Dichtungsrahmen 3 ferner die Funktion hat, die Kompressionsbela
stung zwischen den beiden Substraten 2 aufzunehmen.
Die zylindrischen Stützpfosten 4 können aus einem fasergefüllten
Kunststoff mit geringer thermischer Leitfähigkeit gebildet sein, wobei auf beide Enden
Kupfer, Nickel, Zinn oder ein anderer metallischer Dünnfilm aufgebracht oder ther
misch aufgespritzt ist. Ähnlich dem Dichtungsrahmen 3 werden die Stützpfosten 4
anschließend an ein durch thermisches Aufspritzen auf den Substraten
2 ausgebildete Metallteil 13 hart- oder weichgelötet. Es sei darauf hingewiesen, daß
diese Metallteile 13 gegen die Energiezufuhrleitungen 11 elektrisch isoliert sind.
Die Metallteile 13 können ferner in dem selben Prozeß hergestellt werden, in dem die
Verbindungselektroden 10 und die Energiezufuhrleitungen 11 auf den Substraten 2
ausgebildet werden, und die Peltier-Effekt-Elemente 1, der Dichtungsrahmen 3 und die
Stützpfosten 4 können gleichzeitig mit den Substraten 2 verbunden werden. Somit sind
die Montageeigenschaften eines erfindungsgemäßen Peltier-Effekt-Moduls ausgezeich
net.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Peltier-Effekt-Elemente 1 nicht direkt mit den
Verbindungselektroden 10 verbunden sind, sondern mit diesen indirekt durch ein
Pufferteil 15 verbunden sind, das der Verringerung der thermischen Belastung dient.
Das Pufferteil 15 besteht aus einem Material mit hoher elektrischer und thermischer
Leitfähigkeit und einem Elastizitätsmodul, der im Wesentlichen gleich demjenigen der
Peltier-Effekt-Elemente 1 ist, beispielsweise aus einem Material wie geglühtes Kupfer.
Beide Enden der Peltier-Effekt-Elemente 1 werden zunächst mit einem nicht toxischen
Metall plattiert, und das Pufferteil 15, das mit Nickel, Gold, Lot oder einer beliebigen
anderen Plattierung beschichtet ist, wird an beide Enden der Peltier-Effekt-Elemente 1
gelötet, um die Peltier-Effekt-Elemente 1 zwischen Paaren von Pufferteilen 15 sand
wichartig aufzunehmen. Diese Sandwich-Struktur der Peltier-Effekt-Elemente 1 kann
mit den Verbindungselektroden 10 der Substrate 2 durch Löten oder eine Metallpaste
verbunden werden. Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem vorliegenden Ausführungs
beispiel Kupfer für das Pufferteil 15 verwendet wird, da Kupfer eine hohe elektrische
und thermische Leitfähigkeit aufweist und geringe Kosten verursacht, während das
Glühen des Kupfers den im Vergleich zu den Peltier-Effekt-Elementen 1 hohen Elasti
zitätsmodulus von nicht geglühtem Kupfer auf etwa den Elastizitätsmodulus der
Peltier-Effekt-Elemente 1 verringert.
Wenn zwischen den Peltier-Effekt-Elementen 1 und den Substraten 2 Pufferteile 15
angeordnet sind, kann die effektive Höhe der Peltier-Effekt-Elemente vergrößert
werden, während der Widerstand der Peltier-Effekt-Elemente gering bleibt. Auf die
Verbindungsstellen zwischen den Peltier-Effekt-Elementen 1 und den Pufferteilen
15 wirkende thermische Belastungen können ebenfalls verringert werden, da die
thermischen Belastungen auf die einstückig miteinander verbundenen Peltier-Effekt-
Elemente 1 und die Pufferteile 15 gemeinsam wirken. Verluste durch Wärmeabstrah
lung können ebenfalls verringert und die Leistung verbessert werden, da der Abstand
zwischen dem erwärmungsseitigen Substrat 2 und dem kühlungsseitigen Substrat 2
vergrößert ist.
Wird zum Verbinden der Peltier-Effekt-Elemente 1 und der Pufferteile 15 und zum
Verbinden der Pufferteile 15 und der Verbindungselektroden 10 Löten angewen
det, so muß die zum Verbinden der Pufferteile 15 und der Verbindungselektroden 10
verwendete Löttemperatur geringer sein als die zum Verbinden der Peltier-Effekt-
Elemente 1 und der Pufferteile 15 verwendete Löttemperatur. Dies dient dem Verhin
dern des Schmelzens des die Peltier-Effekt-Elemente 1 und die Pufferteile 15 verbin
denden Lots und dem Verhindern einer Verringerung der Zuverlässigkeit beim Löten
der mit den Peltier-Effekt-Elementen 1 verbundenen Pufferteile 15 an die Verbindungs
elektroden 10 der Substrate 2. Die Löttemperaturen, die keine nachteilige Auswirkung
auf die Leistung der Peltier-Effekt-Elemente 1 haben, weisen daher vorzugsweise eine
Spitze unter 300°C für das Löten der Peltier-Effekt-Elemente an die Pufferteile und
eine Spitze unter ungefähr 230°C für das Löten der Pufferteile an die Verbindungselek
troden auf.
Es kann auch eine leitfähige Edelmetallpaste, die beim Aufbringen von Wärme nicht
schmilzt, für die Verbindungen zwischen den Peltier-Effekt-Elementen 1 und den
Pufferteilen 15 oder die Verbindungen zwischen den Pufferteilen 15 und den Verbin
dungselektroden 10 verwendet werden. Bei Verwendung einer leitfähigen Edelmetall
paste zum Verbinden der Peltier-Effekt-Elemente 1 und der Pufferteile 15 ist das
Plattieren der Peltier-Effekt-Elemente nicht erforderlich. Es ist ferner nicht erforderlich,
während des Montagevorgangs die Aushärttemperatur zu berücksichtigen, wenn eine
leitfähige Edelmetallpaste verwendet wird, um die Peltier-Effekt-Elemente 1 und die
Pufferteile 15 miteinander zu verbinden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß, wenn
die Peltier-Effekt-Elemente 1 und die Pufferelemente 15 verlötet werden und eine
leitfähige Edelmetallpaste zum anschließender Verbinden der Pufferteile 15 und der
Verbindungselektroden 10 verwendet wird, die Aushärttemperatur der leitfähigen
Edelmetallpaste geringer sein muß als die Löttemperatur.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Peltier-Effekt-
Moduls beschrieben.
Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß das Peltier-Effekt-Modul durch
Verbinden der sandwichartigen Peltier-Effekt-Element-Strukturen, die jeweils ein
sandwichartig zwischen zwei Pufferteilen 15 angeordnetes Peltier-Effekt-Element 1
aufweisen, zwischen zwei Substraten 2 gebildet wird. Die Peltier-Effekt-Elements
trukturen werden jedoch nicht einzeln hergestellt, sondern durch Schneiden eines
Wafers, wie in Fig. 16 dargestellt. Genauer gesagt, werden beide Seiten eines Peltier-
Effekt-Elemente-Wafers vor dem Schneiden mit einem Metall beschich
tet und dünne Bahnen des Pufferteilmaterials 15, die mit Nickel, Gold, Lot oder einer
anderen Metallschicht versehen sind, werden durch Löten oder auf andere geeignete
Weise mit dem Peltier-Effekt-Elemente-Wafer verbunden, wie in Fig. 16(a) dargestellt,
wodurch sich sogenannte Sandwich-Wafer W ergeben. Die Sandwich-Wafer W werden
anschließend zerschnitten, wie in Fig. 16(b) dargestellt, um Sandwich-Chips zu
erhalten.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Querschnittsfläche der Pufferteile 15 und die
Querschnittsfläche der Peltier-Effekt-Elemente 1 in dieser Sandwich-Struktur im
wesentlichen gleich sind, um die optimale thermische Integration zwischen den Peltier-
Effekt-Elementen 1 und den Pufferteilen 15 zu erreichen.
Jedes der Substrate 2 weist ferner Wärmebelastungsabsorbierer 20 zwischen den
Verbindungselektroden 10 und zwischen den Verbindungselektroden 10 und der
Energiezufuhrleitung 11 auf. Bei diesen Wärmebelastungsabsorbierern 20 handelt es
sich um mehrere in Richtung auf die gegenüberliegende Fläche weisende Vorspränge.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Verbindungen zwischen der Energiezufuhrleitung
11 und den Verbindungselektroden 10 und einem Teil der Verbindungselektroden 10
die Wärmebelastungsabsorbierer 20 durchquerend vorgesehen sind. Ein Wärmetau
scherteil ist mittels eines sich durch die zylindrischen Stützpfosten 4 erstreckenden
Bolzens auf der Außenfläche jedes der Substrate 2 angebracht.
Bestehen die Substrate 2 aus einer Aluminiumbahn 21 mit einer Keramikschicht 22 auf
der Oberfläche, wie in Fig. 9 dargestellt, können die Wärmebelastungsabsorbierer 20
durch Umbördeln der dünnen Aluminiumbahn 21 (die üblicherweise 0,1 mm dick ist)
in einem Werkzeug ausgebildet werden. Die Keramikschicht 22, die Verbindungselek
troden 10 und die Energiezufuhrleitung 11 werden nach dem Ausbilden der Wärmebe
lastungsabsorbierer 20 ausgebildet. Die Wärmebelastungsabsorbierer 20 verringern die
Belastung, die auf die Verbindungsstellen zwischen den Substraten 2 und den Peltier-
Effekt-Elementen 1 (Pufferteilen 15) infolge der Wärmeausdehnung und -kontraktion
der Substrate 2 einwirkt. Zusammen mit dem Effekt der Pufferteile 15, die die un
mittelbar auf die Peltier-Effekt-Elemente 1 einwirkende Belastung verringern, verhin
dern die Wärmebelastungsabsorbierer 20 und die Pufferteile 15 wirksam Beschädigun
gen der Peltier-Effekt-Elemente 1 durch Wärmebelastung.
Wie in Fig. 9 dargestellt, ist ein Teil der Verbindungselektrode 10 über dem vor
stehenden Wärmebelastungsabsorbierer 20 ausgebildet sind. Wenn dieser vorstehende
Bereich zum Regulieren der Position der Peltier-Effekt-Elemente 1 (mit den einstückig
damit verbundenen Pufferelementen 15) verwendet wird und die Wärmebelastungs
absorbierer 20 ebenfalls als Positionierteile für die Peltier-Effekt-Elemente 1 verwendet
werden, können Ausrichtungsschwankungen während der Montage verringert werden,
der Isolierungsabstand zwischen den Peltier-Effekt-Elementen 1 kann konstant gehal
ten werden, und die Montageeigenschaften und die elektrischen Eigenschaften können
verbessert werden. Es sei darauf hingewiesen, daß vorzugsweise ein Lotwiderstand 8
oder ein anderes isolierendes Material zur Bildung der Verbindungselektroden 10
verwendet wird, wie in Fig. 9 dargestellt. Die Verbindungselektroden 10 und die
Energiezufuhrleitung 11 sind leicht und genau unter Verwendung thermischer Auf
sprühverfahren herstellbar. Genauer gesagt, kann jegliches Kupferpulver oder anderes
an ungeeigneter Stelle aufgesprühtes Material aus dem thermischen Sprühverfahren,
das an anderen Bereichen als den Elektrodenbereichen haftet, leicht entfernt werden,
und die elektrische Isolierung der Elektroden ist gewährleistet.
Bei dem in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind aus Polyethy
len, Polystyrol, Polypropylen, technischem Kunststoff oder einem ähnlichen Material
bestehende Positionierungsbahnen 6 mit durchgehenden Löchern 60 für die Peltier-
Effekt-Elemente 1 in geeigneter Weise zwischen den Substraten 2 angeordnet. Es sei
darauf hingewiesen, daß die Verwendung einer Positionierungsbahn 6 zum Positionie
ren der einzelnen Peltier-Effekt-Elemente 1 die Montageeigneschaften des Peltier-
Effekt-Moduls verbessert und gleichzeitig die durch thermische Belastung oder andere
Faktoren erzeugte Bewegung der Peltier-Effekt-Elemente 1 einschränkt. Es sei darauf
hingewiesen, daß die in Fig. 10 gezeigten balgartigen Stützpfosten 4 dieses Aus
führungsbeispiels auch eine Stoßdämpfungswirkung haben.
Wie in Fig. 12 dargestellt, ist der einen hohlen Körper aufweisende Dichtungsrahmen
3 aus einem Edelstahlblech gezogen, wobei ein Innenflansch 31 an einem Ende und ein
Außenflansch 32 am anderen Ende ausgebildet sind. Das Edelstahlblech ist mit einer
Isolierbeschichtung mit einer Schicht aus Kupfer, Nickel, Zinn oder einem anderen sich
leicht verbindenden Metall versehen, die durch Plattieren oder thermisches Aufspritzen
auf den Endlippen des Dichtungsrahmens 3 an dem zum Verbinden mit der Energie
zufuhrleitung 11 zu verwendenden Bereich ausgebildet ist. Diese Metallbeschichtung
ermöglicht die Erzeugung einer Metallverbindung zwischen dem Dichtungsrahmen 3
und der Energiezufuhrleitung 11. Bei dieser Ausbildung gewährleistet die hohe mecha
nische Festigkeit des Dichtungsrahmens 3 eine ausreichende mechanische Festigkeit
des Peltier-Effekt-Moduls, selbst wenn die Stützpfosten 4 weggelassen werden. Diese
Ausbildung kann aufgrund der Platzeinsparungen durch das Entfallen der Stützpfosten
4 daher auch zur Verringerung der Größe des Peltier-Effekt-Moduls verwendet werden.
Wie in Fig. 13 dargestellt, kann der Dichtungsrahmen 3 auch aus Kartonzuschnitten
hergestellt sein, die in einem Verfahren wie Lackieren, durch Parylencoder Glas mit
niedrigem Schmelzpunkt wasserdicht gemacht werden. Der behandelte Dichtungs
rahmen 3 wird anschließend zwischen dünnen Kupferplatten 35, die als geschlossener
Kreis ausgebildet sind, unter Verwendung von Kleber, der um die offenen Ränder
aufgebracht wird, eingesetzt. Diese Kupferplatten 35 dienen dem Verbinden des
Dichtungsrahmens 3 mit der Energiezufuhrleitung 11.
Es ist jedoch ersichtlich, daß der Dichtungsrahmen 3 auf zahlreiche
andere Arten herstellbar ist, solange der thermische Widerstand zwischen den ent
gegengesetzten Enden des Dichtungsrahmens 3 groß und die Enden gegeneinander
elektrisch isoliert sind und der Dichtungsrahmen 3 aus einem feuchtigkeitsdichten
Material hergestellt ist, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Vorzugs
weise sollte der Dichtungsrahmen 3 hohe mechanische Festigkeit verleihen.
Die Peltier-Effekt-Elemente 1 können auch Kristall- oder Sinterelemente sein, obwohl
Kristallelemente wirksamer sind. Peltier-Effekt-Elemente 1 aus Kristall werden daher
verwendet, wenn Effizienz eine der Zielsetzungen bei der Entwicklung ist, jedoch ist
der Nachteil von Kristallvorrichtungen, daß sie unter Einwirkung mechanischer Bela
stung spröde sind. Sinterelemente sind vergleichweise weniger effizient, jedoch bei
mechanischer Belastung haltbarer als Kristallelemente. Unter Verwendung einer
Kombination von Peltier-Effekt-Elementen 1 aus Kristall und Sintermaterial, wird ein
Peltier-Effekt-Modul erreicht, bei dem die mechanischen Belastungen von den Sinter-
Peltier-Effekt-Elementen 1 getragen werden, während die Effizienz durch die Kristall-
Peltier-Effekt-Elemente 1 verbessert wird, wobei Sinter-Peltier-Effekt-Elemente 1 an
den vier Ecken und im Mittelbereich und Kristallelemente für die übrigen Peltier-
Effekt-Elemente 1 verwendet werden. Das Peltier-Effekt-Modul bietet somit sowohl
eine große mechanische Festigkeit und eine große Betriebseffizienz. Es ist ferner
möglich, diese Eigenschaften mit einer kompakten Modulgröße für bestimmte Anwen
dungen zu kombinieren, da die Belastungsaufnahmefähigkeit ausreichend sein kann,
selbst wenn die Stützpfosten 4 eliminiert werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Anschlußblock 12 der Energiezufuhrleitung 11
außerhalb des geschlossenen Dichtungsrahmens 3 angebracht ist, um die Feuchtigkeits
beständigkeit des Peltier-Effekt-Moduls durch das Vorsehen des Anschlußblocks 12
nicht zu beeinträchtigen. Ferner ist der Anschlußblock 12 ein L-förmiges Teil, wie in
den Fig. 5 und 6 dargestellt, um den Abstand zu der Verbindung zwischen dem
Dichtungsrahmen 3 und der Energiezufuhrleitung 11 zu vergrößern und es so zu
erschweren, daß durch das Anlöten externer Leitungen an den Anschlußblock 12
entstehende Wärme die Dichtungsrahmenverbindung erreicht. Wie in Fig. 14 dar
gestellt, kann der Anschlußblock 12 jedoch alternativ durch Prägen von Anschluß
klemmenenden 25 in das Substrat 2 ausgebildet werden. Externe Leitungen 29 können
in diesem Fall an dem Anschlußblock 12 ohne Löten durch Crimpen der Anschluß
klemmenenden 25 um die Leitung 29 angeschlossen werden, wodurch die Auswirkun
gen der Lötwärme und die Notwendigkeit der Vergrößerung des Abstandes zwischen
dem Anschlußblock 12 und der Verbindung zwischen dem Dichtungsrahmen 3 und der
Energiezufuhrleitung 11 entfallen.
Wie in Fig. 15 dargestellt, kann die Leitung 29 auch durch ein separates Klemmteil 26
befestigt werden, das sich durch das Substrat 2 erstreckt. Es sei darauf hingewiesen,
daß die in dem Substrat 2 in der Bördelzone des Klemmteils 26 vorgesehene Aus
nehmung 27 eine Störung zwischen dem Wärmetauscherteil und dem Klemmteil 26
verhindert.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß das zuvor beschriebene Metallverbindungs
verfahren das wirksamste Verfahren zum Befestigen des Dichtungsrahmens ist, jedoch
kann die Zuverlässigkeit der Dichtung durch Beschichten des Umfangsbereichs um den
Dichtungsrahmen mit einem Kleber verbessert werden. Vorzugsweise handelt es sich
bei dem Kleber in einem solchen Fall um einen flexiblen Epoxidkleber.
Vorzugsweise sollten zwei Schichten Epoxidkleber für eine bessere Wirk
samkeit ebenfalls aufgebracht werden. Eine Verwendung in Verbindung mit einem
Butylkleber ist ebenfalls wirkungsvoll.
Zusätzlich zu den zuvor in Zusammenhang mit dem Dichtungsrahmen genannten
Materialien, können auch verschiedene beschichtete Harzformteile verwendet werden.
Das spezifische verwendete
Material sollte im Hinblick auf Faktoren wie die Wärmebeständigkeit der Beschichtung
und des Lötmaterials ausgewählt werden.
Ferner ist eine Beschichtung mit SiO2, nach
der Montage ebenfalls wirkungsvoll.
Da der Umfangsbereich um die Peltier-Effekt-Elemente zwischen den Substraten nicht
mit einem Dichtungsmittel oder einem Kleberfüllmaterial abgedichtet ist, sondern
durch Verwendung eines Hohldichtungsrahmens, der an beiden Enden mit den Sub
straten in einem erfindungsgemäßen Peltier-Effekt-Modul wie zuvor beschrieben
verbunden ist, ist die Fähigkeit, das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, im
wesentlichen durch das Material bestimmt, aus dem der Dichtungsrahmen hergestellt
ist. Es ist daher möglich, das Eindringen von Feuchtigkeit in das Peltier-Effekt-Modul
auf lange Sicht zu verhindern, indem das Material des Dichtungsrahmens in geeigneter
Weise gewählt wird, wodurch die Lebensdauer des Produkts erheblich verlängert wird.
Es ist ferner einfach, eine Verringerung der thermischen Leistungsfähigkeit zu verhin
dern, zu einer höheren Gesamtfestigkeit des Moduls beizutragen und die Stoßfestigkeit
zu erhöhen.
Wenn eine die Gruppe der Verbindungselektroden in einer geschlossenen Schleife
umgebende Energiezufuhrleitung auf jedem Substrat vorgesehen ist, wobei
beide offenen Enden des Dichtungsrahmens mit der Energiezufuhrleitung verbunden
sind, kann auf die Verwendung von Klebern mit deren inhärenten Problemen bei der
Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit verzichtet werden, und eine hohe
Dichtigkeit gegen Feuchtigkeit ist erreichbar.
Der Dichtungsrahmen kann ferner einfach und kostengünstig hergestellt werden, wenn
der Dichtungsrahmen aus einem Kunststoffteil mit einer Metallbeschichtung an der
Verbindung mit der Energiezufuhrleitung vorgesehen ist, wodurch die Gesamtkosten
für das Modul verringert werden können. Wird der Dichtungsrahmen aus einer gezoge
nen Edelstahlplatte mit einer Metallbeschichtung an der Verbindung mit der Energie
zufuhrleitung hergestellt, kann die Modulfestigkeit erheblich verbessert werden.
Besteht der Dichtungsrahmen aus einem wasserdichten Papierteil, kann der Dichtungs
rahmen ebenfalls einfach und kostengünstig hergestellt werden, und die Gesamtkosten
des Moduls können verringert werden.
Weist das Peltier-Effekt-Modul ein außen angebrachtes Anschlußelement auf, kann
verhindert werden, daß der Bereich, in dem die Anschlüsse freiliegen, die Dichtigkeit
gegen Feuchtigkeit verringert, indem ein Anschlußblock zur Verbindung mit externen
Leitungen als Teil der Energiezufuhrleitung auf dem Substrat außerhalb des Dichtungs
rahmens vorgesehen wird.
Bestehen die Substrate aus einem geformten Aluminiumteil, das eine Aluminiumoxid-
oder Siliziumdioxidbeschichtung aufweist, und sind die Verbindungselektroden und die
Energiezufuhrleitung mittels einem thermischen Spritzverfahren gebildet, lassen sich
leicht Substrate mit den geeigneten Eigenschaften erzielen. Die mechanische Festigkeit
kann ebenfalls stark verbessert werden, wenn die beiden Substrate weiter außerhalb des
Dichtungsrahmens durch mehrere Stützpfosten abgestützt sind.
Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Erfinder festgestellt haben, daß eine gegen
über herkömmlichen Peltier-Effekt-Modulen sechsfache Produktlebensdauer erreicht
werden kann, wenn eine Kupferstruktur wie die Energiezufuhrleitung 11 verwendet
und der Außenumfangsbereich des Dichtungsrahmens nach dem Verbinden mit einem
Kleber beschichtet wird.
Claims (15)
1. Peltier-Effekt-Modul mit einer parallelen Anordnung aus mehreren Peltier-Effekt-
Elementen (1) zwischen einem Paar von Substraten (2), wobei die Peltier-Effekt-
Elemente (1) mit Verbindungselektroden (10) verbunden sind, die an den Substraten
(2) angeordnet sind, und einem Hohldichtungsrahmen (3), der den Bereich der
Anordnung der Peltier-Effekt-Elemente (1) mit einer Dichtung umschließt, die durch
eine Verbindung zwischen den beiden Endrändern des Dichtungsrahmens (3) und
den Substraten (2) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine als geschlossene Schleife ausgebildete und die
Verbindungselektrodengruppe umschließende Energiezufuhrleitung (11)
auf jedem Substrat (2) ausgebildet ist, wobei beide offenen Enden des
Dichtungsrahmens (3) metallisch mit der Energiezufuhrleitung (11) verbunden sind.
2. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 1, bei dem der Hohldichtungsrahmen (3) aus
einem Kunststoffteil mit einer an der Verbindung mit der Energiezufuhrleitung (11)
ausgebildeten Metallbeschichtung gebildet ist.
3. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 1, bei dem der Hohldichtungsrahmen (3) aus
einer gezogenen Edelstahlplatte mit einer an der Verbindung mit der
Energiezufuhrleitung ausgebildeten Metallbeschichtung gebildet ist.
4. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 1, bei dem der Hohldichtungsrahmen (3) aus
einem wasserdicht behandelten Papierteil gebildet ist.
5. Peltier-Effekt-Modul nach eine der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die externe
Energiezufuhrleitung (11) auf den Substraten (2) außerhalb des Dichtungsrahmens
(3) einen Anschlußblock (12) zur Verbindung mit externen Leitungen aufweist.
6. Peltier-Effekt-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Substrate (2)
aus einem Aluminiumformteil bestehen, die mit einer Aluminiumoxid- oder einer
Siliziumdioxidbeschichtung versehen sind, und die Verbindungselektroden (10)
sowie die Energiezufuhrleitung (11) unter Verwendung eines thermischen
Spritzverfahrens hergestellt sind.
7. Peltier-Effekt-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die beiden
Substrate (2) ferner außerhalb des Dichtungsrahmens (3) durch mehrere Stützpfosten
(4) gestützt sind.
8. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 1, bei dem das Substrat, auf dem die
Verbindungselektroden (10) angeordnet sind, zwischen den Anschlüssen eines
jeweiligen angebrachten Peltier-Effekt-Elementes (1) einen Wärmebelastungsabsor
bierer (20) aufweist, der sich entsprechend der Wärmebelastung verformt.
9. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 8, bei dem der Wärmebelastungsabsorbierer
(20) ein zwischen den Verbindungsstellen der Peltier-Effekt-Elemente (1)
ausgebildetes Stegteil ist.
10. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 9, bei dem die Stegteile ferner als
Positionierungselemente für die Peltier-Effekt-Elemente (1) dienen.
11. Peltier-Effekt-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Peltier-
Effekt-Elemente (1) mit den Substraten (2) durch ein Pufferteil (15) verbunden sind,
wobei das Pufferteil (15) zum Verringern thermischer Belastung dient und aus
einem Material mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und einem
Elastizitätsmodul hergestellt ist, das im wesentlichen gleich demjenigen der Peltier-
Effekt-Elemente (1) ist.
12. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 11, bei dem das Pufferteil (15) aus
geglühtem Kupfer besteht.
13. Peltier-Effekt-Modul nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die zum Verbinden der
Peltier-Effekt-Elemente (1) und der Pufferteile (15) verwendete Löttemperatur
höher ist als die zum Verbinden der Pufferteile (15) mit den Substraten (2)
verwendete Löttemperatur.
14. Peltier-Effekt-Modul nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem eine
leitfähige Edelmetallpaste für die Verbindungen zwischen den Peltier-Effekt-
Elementen (1) und den Pufferteilen (15) oder die Verbindungen zwischen den
Pufferteilen (15) und den Substraten (2) verwendet wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Peltier-Effekt-Moduls nach einem der
Ansprüche 1 bis 14, bei dem ein zum Verringern thermischer Belastung dienendes
Pufferteil (15), das aus einem Material mit hoher elektrischer und thermischer
Leitfähigkeit und einem Elastizitätsmodul hergestellt ist, das im wesentlichen gleich
demjenigen der Peltier-Effekt-Elemente (1) ist, auf beide Flächen eines Peltier-Effekt-
Elemente-Wafers laminiert wird, der sich ergebende Laminatkörper anschließend zur
Bildung von Peltier-Effekt-Elemente-Chips geschnitten wird,
die Peltier-
Effekt-Elemente-Chips zwischen einem Paar von Substraten (2) angeordnet werden,
und die Substrate (2) und die Pufferteile (15) der Peltier-Effekt-Elemente-Chips
anschließend miteinander verbondet werden.
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