DE19680505C2

DE19680505C2 - Peltier-Effekt-Modul und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19680505C2
Application number: DE19680505T
Authority: DE
Inventors: Nobuteru Maekawa; Katsuyoshi Shimoda; Teruaki Komatsu; Shinya Murase; Hiroaki Okada; Hiroyuki Inoue
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH08321637A; WO1996037918A1; CN1166891A; CN1107985C; TW342086U; US5841064A; JP3951315B2; DE19680505T1

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

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.