DE2428768C3 - Thermoelektrische Anordnung, bestehend aus einer Anzahl abwechselnd, p-leitender und n-leitender Halbleiterschenkel - Google Patents
Thermoelektrische Anordnung, bestehend aus einer Anzahl abwechselnd, p-leitender und n-leitender HalbleiterschenkelInfo
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Description
65
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)
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 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, 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).
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