DE2428768C3 - Thermoelektrische Anordnung, bestehend aus einer Anzahl abwechselnd, p-leitender und n-leitender Halbleiterschenkel - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung, bestehend aus einer Anzahl abwechselnd D-leitender und η-leitender Halbleiterschenkel, die mit ihren Endoberflächen in gleichen Ebenen liegen und durch Verbindungsbrücken zu Thermoelementen in Reihe geschaltet sind, bei der die VerhindungsbrCcken die Form dünner Bleche haben, die hochkant zu den Endoberflächen der Halbleiterschenkel gerichtet sind und an einer Kante Zungen aufweisen, die sich im rechten Winkel zu den Blechen erstrecken und deren jede der Form und Größe der mit ihr verbundenen Endoberfläche des Halbleiterschenkels angepaßt ist, und bei der die Bleche mindestens auf der heißen Seite der Halbleiterschenkel mit Wärmeaustauschgliedern verbunden sind.

Thermoelektrische Anordnungen der vorgenannten Art eignen sich besonders zur Kälteerzeugung in Haushaltskühlschränken, zur Wasserkühlung, Eisgefrierung, Raumklimatisierung u.dgl. Auch lassen sich aus solchen thermoelektrischen Anordnungen Leistungsgeneratoren sehr einfacher Art in Massenfertigung herstellen, bei denen heiße Gase über die eine Verbindungsseite und ein kaltes Medium über die andere Verbindungsseite geleitet werden. Ein besonderes Problem besteht dabei in der Kleinhaltung der Wärmevenuste zwischen den heißen und den kalten Verbindungsbrücken und der Temperaturabfälle an Isolierschichten, die zwischen den heißen und kalten Verbindungsbrücken und Wärmeaustauschgliedern angeordnet sind, wodurch der Nutzeffekt solcher Anordnung gemindert wird. Gleichzeitig sollen derartige Anordnungen in ihrer Konstruktion möglichst stabil und einfach sein und sich leicht und mit geringen Kosten zusammenbauen lassen.

Bei einer bekannten Anordnung der eingangs genannten Art (DE-AS 11 02 780) sind zum Zwecke des einfachen Aufbaus und der Unterstützung der Wärmeübertragung die Wärmeaustauschglieder oder wenigstens ein Teil von ihnen von Gußstücken aus Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt gebildet, die auf die metallischen Verbindungsbrücken so aufgegossen sind, daß diese in den Gußstücken eingebettet sind. Da demzufolge die Wärmeaustauschglieder in senkrechter Richtung bis unmittelbar an die gegijn die Endoberflächen der Halbleiterschenkel anliegenden Zungen der Verbindungsbrücken heranreichen, ergibt sich zwangsläufig ein Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Wärmeaustauschglied von der Höhe der Halbleiter zuzüglich der doppelten Dicke der Zungen, so daß erhebliche Wärmeverluste auftreten.

Eine andere bekannte Ausführungsform (US-PS 29 97 514) einer thermoelektrischen Anordnung der eingangs genannten Art arbeitet mit U-förmig gebogenen Blechen als Verbindungsbrücken. Für den Wärmeaustausch sind an den von den Halbleiterschenkeln abgewandten Teilen der Verbindungsbrücken zapfenförmige Glieder angebracht, die einen die Anordnung enthaltenden Behälter aus Isoliermaterial durchragen, welcher die Anordnung gleichzeitig zusammenhält. Der Aufbau dieser vorbekannten Anordnung ist demzufolge aufwendig und in der Montage kompliziert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermoelektrische Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit einer kleinstmöglichen Anzahl billig herzustellender Einzelteile eine einfache, kostensparende und stabile Konstruktion mit minimalen Wärmeverlusten zwischen der heißen und der kalten Seite der Halbleiterschenkel ergibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bleche nur mit ihren von den Zungen entfernten

Endbereichen mit den gerippten Wärmeaustauschgliedem verbunden sind und dort in Nuten eingreifen und daß ein nichtleitender Tragkörper die Bleche unmittelbar zu ihrer Abstützung und zum Schutz der thermoelektrischen Anordnung erfaßt

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Bleche der warmen Seite im Bereich zwischen den Halbleiterschenkeln nur mit ihren Kanten gegenüberstehen und die Wärmeaustauschglieder weitaus größere Abstände gegeneinander aufweisen, als dies bei den bekannten Anordnungen der Fall ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Thermoelektrische Anordnungen gemäß der Erfindung eignen sich besonders zum Aufbau thermoelektrischer Kaskaden in zwei oder mehr Stufen, da die heiße Seite der zweiten Stufe leicht thermisch mit der kalten Seite der ersten Stufe über die Bleche verbunden werden kann. Durch Wiederholung der in der ersten Stufe verwendeten Konstruktion in der zweiten Stufe und so fort läßt sich eine einfache Kaskade mit einem Minimum an Wärme- und anderen Verlusten mit geringeren Kosten als bisher erstellen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise im Schnitt wiedergegebene Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Anordnung mit einer Reihe von Thermoelementen, die zwischen steifen Tragkörpern aus nichtleitendem Material angebracht sind,

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie H-Il in Fig. 1,

F i g. 3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1.

F i g. 4 eine Seitenansicht ähnlich F i g. 1 von einem abgeänderten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung als Eisgefrierer,

F i g. 5 einen Querschnitt nach Linie V-V in F i g. 4,

F i g. 6 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 7 einen Querschnitt nach Linie VlI-VII in F i g. 6,

Fig.8 einen Querschnitt nach Linie VIIl-VIlI in F i g. 6 und

Fig.9 un 10 eine Seitenansicht bzw. einen Schnitt ähnlich den Fig.6 und 7 von noch einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine thermoelektrische Anordnung gezeigt, bei welcher alternierend i-leitende und p-leitende Halbleiterschenkel 11, 12, 13, 14,15 und 16 verwendet sind. Die Halbleiterschenkel liegen mit ihren Endoberflächen in gleichen Ebenen und sind durch Verbindungsbrücken gemäß nachstehender Beschreibung in Reihe geschaltet.

Wie aus F i g. 1 und 2 ersichtlich, besteht jede Verbindungsbrücke, wie beispielsweise die Verbindungsbrücke 17 aus einem aufrechtstehenden dünnen Blech aus Kupfer oder sonstigem elektrisch leitendem Material und weist an einem Ende zwei rechtwinklig abgebogene Zungen 18 auf, von denen die eine an die heiße Seite des p-leitenden Halbleiterschenkels 12 und die andere Seite an die heiße Seite des n-leitenden Halbleiierschenkels 13 angeschlossen ist. Die Zungen 18 haben im wesentlichen die gleiche Größe wie die Endoberfläche des Halbleiterschenkels. Auf der kalten Seite ist der p-leitenden Halbleiterschenkel 12 mit dem nächsten η-leitenden Halbleiterschenkel 11 durch eine in gleicher Weise ausgebildete Verbindungsbrücke 19 verbunden, indem deren Zungen 21 gegen die Halbleiterschenkel 12 bzw. 11 anliegen. In gleicher Weise ist die kalte Seite des η-leitenden Halbleiterschenkels 13 mit der kalten Seite des nächsten p-leitenden Halbleiterschenkels 14 über eine entsprechende Verbindungsbrücke 22 verbunden und so fort Durch diese Anordnung sind die Halbleiterschenkel 11, 12,13,14,15,16 usw. in Reihe geschaltet und können zur Bildung einer Wärmepumpe mit Gleichstiom betrieben werden.

Der elektrische Strom kann in die in F i g. 1 gezeigte Anordnung an der heißen Seite des Halbleiterschenkels 11 eintreten, der zu diesem Zweck mit nur einer halben Verbindungsbrücke 23 versehen ist, so daß die Seitenkante 24 dieser Verbindungsbrücke mit der Seitenkante 26 der gegenüberliegenden Verbindungsbrücke 19 fluchtet Ein Anschlußstück. 27 an einem auf der Verbindungsbrücke 23 sitzenden Wärmeaustauschglied 28 ähnlich den weiter unten beschriebenen Wärmeaustauschgliedern 43, 44 ermöglicht den Anschluß an eine elektrische Stromquelle oder die Verbindung zu einer weiteren thermoelektrischen Anordnung in Reihe zu der gezeigten Anordnung innerhalb einer größeren Baugruppe. Die Entfernung zwischen den Halbleiterschenkeln 11, 12, 13, 14,15, 16 innerhalb der Anordnung und die Entfernung zwischen den Zungen der Verbindungsbrücken 17,19, 22, 23 sind gleich, so dab zwischen den benachbarten Verbindungsbrücken ein gleicher Abstand vorhanden ist.

F i g. 3 ist die Draufsicht auf einen Teil eines Feldes mit mehreren Reihenanordnungen 31, 32, 33, 34 usw. von Halbleiterschenkeln gemäß Fig. 1. Die Reihe der F i g. 1 ist beispielsweise die Reihe 31 in F i g. 3, und es ist ersichtlich, wie die Verbindungsbrücken 17 und 23 mit ihren Seitenkanten in Stützleisten 36, 37, 38 und 39 eingefügt sind, die einen Tragkörper für die einzelnen Anordnungen 31, 32, 33, 34 in Gestalt einer steifen und festen Konstruktion bilden, der das ganze Feld gegen Beschädigungen durch Stöße oder sonstige Beanspruchungen schützt. In ähnlicher Weise sind die unterhalb der Halbleiterschenkel 11, 12, 13, 14, 15, 16 angeordneten Verbindungsbrücken 19, 22 in entsprechende Stützleisten 41,42 sowie die gemeinsame Stützleiste 36 eingesetzt, die beispielsweise aus Bakelit besteht.

Wie die Fig. 1 bis 3 weiterhin erkennen lassen, sind die Verbindungsbrücken 17, 19, 22 mit Wärmeaustauschgliedern 43 bzw. 44 zur Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme versehen. Die Wärmeaustauschglieder 43, 44 sind vorzugsweise stranggepreßt und enthalten Nuten 46, 47 (Fig. 2) zur Aufnahme der den Zungen 18, 21) entgegengesetzten Enden der Verbindungsbrücken.

Die Wärmeaustauschglieder 43 auf der heißen Seite der Anordnung haben eine Oberfläche, die beträchtlich größer als die Oberfläche der Wärmeaustauschglieder 44 auf der kalten Seite ist, da auf der heißen Seite im Verhältnis zur Wärmeabsorption auf der kalten Seite ein viel größerer Betrag an Wärme abzuführen ist. Den gerippten Wärmeaustauschgliedern können im übrigen beliebige Formen und Größen gegeben werden. Durch Eingreifen der aus Blech bestehenden Verbindungsbrükken in jeweils eine Nut mit enger Passung oder einen Schlitz innerhalb des Wärmeaustauschglieds wird eine gute Wärmeübertragung ohne Klemmung oder Lötung erhallen. Diese einfache und billige Montage der Wärmeaustauschglieder kann durch Verwendung bekannter Mittel zur Steigerung der Wärmeübertragung an der Berührungsstelle zwischen der Nut bzw. dem

Schlitz und der Kante der Verbindungsbrücke unterstützt werden.

Gemäß der Darstellung in Fig.3 ist das Anschlußstück 27 nach Fig. 1 Teil einer U-förmigen Verbindungsbrücke zur Herstellung einer Verbindung mit der nächstfolgenden Reihe von Halbleiterschenkeln. Anstelle einer solchen U-förmigen Verbindungsbrücke kann auch ein entsprechend ausgebildetes Wärmeaustauschglied die Verbindung zwischen den beiden Reihen herstellen.

In den Fig.4 und 5 ist in Schnittdarstellung eine abgeänderte Ausführungsform der vorbeschriebenen Anordnung gezeigt, die als Wärmepumpe zum Eisfrieren bestimmt ist. Die Anordnung hat eine heiße Seite 51 von im wesentlichen derselben Konstruktion wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Die Verbindungsbrücken auf der kalten Seite sind demgegenüber modifiziert. Anstelle der Wärmeaustauschglieder 44 nach Fig. 1 erstrecken sich die Verbindungsbrücken 56, 57 und 58 auf der kalten Seite der Anordnung nach F i g. 4 und 5 zwischen im Abstand zueinander verlaufenden Stützleisten 53 nach unten und tauchen in das zu frierende Wasser innerhalb einer Eisschale 59 ein, die unterhalb der Anordnung in solcher Höhe angeordnet ist, daß der Boden der nichtleitenden Eisschale die Unterkanten der Verbindungsbrücken 56, 57, 58 und der Stützleisten 53 berührt. Wenn die Eisschale mit Wasser bis zu der eingezeichneten Höhe gefüllt ist und die Anordnung an eine elektrische Gleichstromquelle angeschlossen wird, wird sich Eis auf beiden Seiten der Verbindungsbrücken bilden, bis das gesamte Wasser im Zwischenraum zwischen den Verbindungsbrücken und den Stützleisten zu Eis erstarrt ist.

F i g. 5 veranschaulicht die Entfernung zwischen den Verbindungsbrücken benachbarter Reihen von Halbleiterschenkeln, welche die eine Dimension der Eiswürfel bestimmt. Die anderen Dimensionen sind durch den Abstand zwischen den Stützleisten 53 bzw. die Höhe des Wasserspiegels bestimmt.

Das Eis kann von den Verbindungsbrücken und den Stützleisten durch Umkehr der Richtung des elektrischen Stroms gelöst werden, wodurch die kalten Verbindungsbrücken erwärmt anstatt gekühlt werden. Hiernach kann die Eisschale 59 mit den Eiswürfeln um die Achse 61 nach unten weggeschwenkt werden. Das Herab- und Wiederbeischwenken der Eisschale ebenso wie das Ein- und Ausschalten bzw. Umschalten des elektrischen Stroms kann zur fortlaufenden Eiserzeugung gegebenenfalls automatisiert werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in den Fig.6 bis 8 dargestellt. Diese Anordnung besteht aus mehreren parallelen Reihen von Halbleiterschenkeln 71,72,73,74 von denen ein jeder an seiner Ober- und Unterseite mit einer nur eine Zunge aufweisenden Verbindungsbrücke 76, 77 bzw. 81, 82 aus vorzugsweise Kupferblech verbunden ist. Die Verbindungsbrücken 76,77,81,82 sind mit ihren Seitenkanten in die Schlitze oder Nuten von durchgehenden Stützleisten 78 eingesetzt Da ein jeder η-leitender Halbleiterschenkel mit einem p-leitenden Halbleiterschenkel zur Herstellung eines Thermoelements mit einer heißen und einer kalten Seite verbunden sein muß, sind die zwischen je zwei Stützleisten 78 hintereinanderliegenden Halbleiterschenkel gemäß der Darstellung in Fig.7 abwechselnd p-leitend bzw. η-leitend, was am einfachsten dadurch verwirklicht werden kann, daß innerhalb jeder Reihe gleichleitende Halbleiterschenkel angeordnet sind (s. Fig.6), und die Verbindungsbrücken der zwischen denselben Stützleislen 78 hintereinanderliegenden Halbleiterschenkel auf der heißen Seile — wie die Verbindungsbrücken 81 in Fig. 7 — und auf der kalten Seite — wie die Verbindungsbrücken 82 in F i g. 7 — sind durch jeweils zwei solcher Verbindungsbrücken überspannende Wärmeaustauschglieder 83 bzw. 84 fortlaufend überbrückt, so daß sämtliche zwischen denselben Leisten 78 hintereinander angeordnete Halbleiterschenkel in Reihe geschallet sind.

Durch die Anordnung von in vertikaler Richtung durchgehenden Stützleisten 78, die an der Oberkante und der Unterkante mit Schlitzen 87 bzw. 88 zur Aufnahme der Seitenkanten der Verbindungsbrücken 76, 77, 81, 82 versehen sind, und die abwechselnde Verbindung der einzelnen Reihen von Verbindungsbrücken durch die Wärmeaustauschglieder 83,84 ist die Anordnung nach den F i g. 6 bis 8 besonders stabil, und es bedarf nur an einem Ende der zwischen zwei Leisten 78 getroffenen solchen Anordnung einer Querverbindung zur benachbarten Anordnung, um die erforderliche Reihenschaltung aller Halbleiterschenkel zu erhalten. Die Stützleisten 78, die aus Phenolharz oder Kunststoff bestehen können, sind gemäß F i g. 8 außerdem mit Durchbrechungen 89 zwischen den Schlitzen 87, 88 versehen, um die Wärmeleitung innerhalb der Stützleisten zwischen der heißen und der kalten Seite zu vermindern und dadurch die Wärmeverluste weiter herabzusetzen.

Anstelle der in den Fig.6 und 7 getroffenen getrennten Ausbildung der Verbindungsbrücken 76, 81 bzw. 82, 77' können diese auch abwechselnd in einem Stück mit je zwei Zungen ähnlich F i g. 1 ausgebildet sein und jeweils die mittleren der drei zugehörigen Stützleisten 78 im dortigen Schlitz 87 bzw. 88 durchragen, sofern in diesem Fall innerhalb jeder Reihe ein η-leitender und ein p-leitender Halbleiterschenkel abwechselnd aufeinanderfolgen. Auch hierbei wird mit den in vertikaler Richtung durchgehenden Stützleisten 78 eine größere Steifigkeit als bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 3 erzielt.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 und 7 ist ferner eine Wärmeisolation 86 aus Schaumstoff zwischen der heißen und der kalten Seite der Anordnung vorgesehen, die gemäß der Darstellung in der Zeichnung eine größere Dicke als die Halbleiterschenkel aufweist und sich längs der Verbindungsbrücken zu den Wärmeaustauschgliedern an beiden Seiten erstreckt. Da die Adhäsion zwischen der Wärmeisolation 86 und den kupfernen Verbindungsbrücken stark genug ist, um letztere ausreichend mechanisch abzustützen, kann hierdurch der von den Stützleisten 78 gebildete Tragkörper entfallen, wie dies in den Fig.9 und 10 dargestellt ist Das Schäumen der Isolation 86 kann erfolgen, während die Metallteile mit den Halbleiterschenkeln durch eine geeignete Vorrichtung in Stellung gehalten werden. Nach dem Schäumen kann die Oberfläche der Isolation auf geeignete Weise behandelt und verstärkt werden, um eine zusätzliche Abstützung zu erhalten. Die Verbindung der Halbleiterschenkel mit den Verbindungsbrücken zu in Reihe geschalteten Thermoelementen mit Hilfe der Wärmeaustauschglieder 83,84 kann dann natürlich vorgenommen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrische Anordnung, bestehend aus einer Anzahl abwechselnd p-leitender und n-leitender Halbleiterschenkel, die mit ihren Endoberflächen in gleichen Ebenen liegen und durch Verbindungsbrücken zu Thermoelementen in Reihe geschaltet sind, bei der die Verbindungsbrücken die Form dünner Bleche haben, die hochkant zu den Endoberflächen der Halbleiterschenkel gerichtet sind und an einer Kante Zungen aufweisen, die sich im rechten Winkel zu den Blechen erstrecken und deren jede der Form und Größe de^r mit ihr verbundenen Endoberfläche des Halbleiterschenkels angepaßt ist, und bei der die Bleche mindestens auf der heißen Seite der Halbleiterschenkel mit Wärmeaustauschgliedern verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (17, 19,22,23; 56,57,58; 76,77,81,82) nur mit ihren von den Zungen (18, 21) entfernten Endbereichen mit den gerippten Wärmeaustauschgliedern (43, 44; 83, 84) verbunden sind und dort in Nuten (46, 47) eingreifen und daß ein nichtleitender Tragkörper (36 bis 39,41,42,53; 78; 86) die Bleche (14,19,22,23; 56, 57,58; 76,77,81,82) unmittelbar zu ihrer Abstützung und zum Schutz der thermoelektrischen Anordnung erfaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (17, 19, 22; 56, 57, 58) je zwei Zungen (18 bzw. 21) zur unmittelbaren Verbindung eines p-leitenden Halbleiterscher.kels (12,14,16) mit einem η-leitenden Halbleiterschenkel (11,13,15) aufweisen (F i g. 1 bis 5).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (76,77,31,82) je eine Zunge aufweisen und daß je zwei Bleche zur Verbindung eines p-leitenden Halbleiterschenkels (71—74) mit einem η-leitenden Halbleiterschenkel durch ein mit Abstand zu den Zungen angeordnetes Zwischenglied (83,84) überbrückt sind (F i g. 6 bis 8).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenglieder von den Wärmeaustauschgliedern (83,84) gebildet sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (17, 19, 22, 23; 56, 57, 58; 76, 77, 81, 82) an gegeneinanderweisenden Seitenkanten paarweise durch Stützleisten (36-39, 41, 42; 53, 78) aus wärmeisolierendem Material miteinander mechanisch verbunden sind (F i g. 1 bis 8).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (56, 57, 58) und die Stützleisten (53) auf der kalten Seite der Halbleiterschenkel nach unten zu einer gemeinsamen Boden fläche verlängert und in solchen Abständen zueinander angeordnet sind, daß sie Eiswürfel in einer mit ihrem Boden diese Bodenfläche berührenden Eisschale (59) abteilen (F i g. 4 und 5).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtleitende Tragkörper von einer Wärmeisolation (86) aus Schaumstoff gebildet ist. die gegen beide Seiten der Bleche unmittelbar anliegt (F i g. 9 und 10).