DE1150694B

DE1150694B - Heating or cooling device with Peltier elements and method for producing such devices

Info

Publication number: DE1150694B
Application number: DES66431A
Authority: DE
Inventors: Dr Sc Nat Walter Haenlein
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-12-24
Filing date: 1959-12-24
Publication date: 1963-06-27
Also published as: GB930580A; CH391749A; NL258617A

Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

S66431Ia/17aS66431Ia / 17a

ANMELDETAG: 24. DEZEMBER 1959 REGISTRATION DATE: DECEMBER 24, 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
L¹NDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 27. JUNI 1963 NOTICE
THE REGISTRATION
L ¹ EDITION OF THE
EDITORIAL: JUNE 27, 1963

Die Erfindung betrifft eine Heiz- und Kühlvorrichtung aus einer Vielzahl von mit Abstand voneinander angeordneten Thermoelementen, deren Stromzuführungen und/oder Verbindungsleitungen für die elektrische Schaltung der Elemente untereinander als Kühlfahnen ausgebildet sind, wobei die Thermoelemente zusammen mit Teilen der Kühlfahnen in einem schlecht wärmeleitenden Kunststoffblock eingegossen sind.The invention relates to a heating and cooling device made of a plurality of spaced apart arranged thermocouples, their power supply lines and / or connecting lines for the electrical circuit of the elements with one another are designed as cooling vanes, the thermocouples Potted together with parts of the cooling fins in a poorly heat-conducting plastic block are.

Durch die Erfindung ist die Aufgabe gelöst worden, eine derartige Heiz- und Kühlvorrichtung in möglichst einfacher und billiger Weise so auszubilden, daß sie mit einem flüssigen Kühlmittel betrieben werden kann.The object has been achieved by the invention, such a heating and cooling device in as simple and inexpensive as possible to train so that they operated with a liquid coolant can be.

Beim Aufbau von Peltierkühl- oder -heizaggregaten mit einem flüssigen Kühlmittel wurde nämlich bisher häufig so vorgegangen, daß auf die Halbleiterschenkel Kühlrohrstücke aufgelötet wurden, die dann mit den Kühlrohren weiterer Schenkel durch Isolierschläuche verbunden wurden. Die Rohrstücke und die Schläuche führten das Kühlmittel. Ein solcher Aufbau von Peltieraggregaten ist außerordentlich aufwendig und teuer.When building Peltier cooling or heating units with a liquid coolant, namely so far it has often been done in such a way that cooling tube pieces were soldered onto the semiconductor legs, which then were connected to the cooling pipes of other legs by insulating hoses. The pipe pieces and the hoses carried the coolant. Such a structure of Peltier units is extraordinary complex and expensive.

Es ist aber auch schon vorgeschlagen worden, bei einer elektrischen Kühlvorrichtung die auf der warmen Seite befindlichen Kühlfahnen in von Kühlflüssigkeit durchströmte Hohlräume eintauchen zu lassen. Dies geschieht auch bei der der Erfindung zugrunde liegenden elektrothermischen Heiz- und Kühlvorrichtung, denn gemäß der Erfindung tauchen die aus dem Kunststoffblock herausragenden Teile der Kühlfahnen in von Kühlflüssigkeit durchströmte Hohlräume ein, die im gleichen Kunststoffblock vorhanden sind.But it has also been proposed in an electrical cooling device on the immerse cooling fins located on the warm side in cavities through which the cooling liquid flows permit. This also happens in the case of the electrothermal heating and heating system on which the invention is based Cooling device, because according to the invention, the parts protruding from the plastic block are immersed of the cooling fins into cavities through which cooling liquid flows and which are present in the same plastic block are.

Ein bereits bekanntes Verfahren zum Herstellen von Heiz- und Kühlvorrichtungen mit Peltierelementen besteht darin, daß bei einer Vielzahl von z. B. auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten, durch Sinterung formgepreßten und mit Lötschichten belegten Thermoelementschenkeln, vorzugsweise aus Wismuttelluriden bzw. deren Mischkristallen, die mit Abstand voneinander, vorzugsweise fluchtend, neben- bzw. hintereinander angeordnet und durch aufgelötete, als Kühlfahnen ausgebildete Stromleiterbrücken, z. B. mäanderförmig, elektrisch in Reihe geschaltet werden.An already known method for producing heating and cooling devices with Peltier elements is that in a variety of z. B. manufactured by powder metallurgy, Thermocouple legs molded by sintering and coated with solder layers, preferably made of Bismuth tellurids or their mixed crystals, which are spaced apart, preferably in alignment, next to or arranged one behind the other and through soldered-on current conductor bridges designed as cooling lugs, z. B. meander, electrically connected in series.

Gemäß der weiteren Erfindung ist nun dieses Verfahren dem Zweck der Herstellung von gemäß der Erfindung ausgebildeten, mit Kühlflüssigkeit betriebenen elektrothermischen Heiz- und Kühlvorrichtungen in der Weise weiterentwickelt worden, daß zwei um etwa 180° gegeneinander versetzte Kühl-Heiz- oder KühlvorrichtungAccording to the further invention, this method is now the purpose of producing according to the Invention trained, operated with cooling liquid electrothermal heating and cooling devices has been further developed in such a way that two cooling-heating- or cooler

mit Peltierelementen und Verfahrenwith Peltier elements and processes

zum Herstellen solcher Vorrichtungenfor making such devices

Anmelder:Applicant:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. se. nat. Walter Hänlein, Erlangen,
ist als Erfinder genannt wordenDr. se. nat. Walter Hänlein, Erlangen,
has been named as the inventor

fahnenreihen gebildet werden, bei denen die Fahnen jeder Reihe im wesentlichen in gleichen Ebenen und in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, wie es an sich bekannt ist.rows of flags are formed in which the flags of each row are essentially in the same planes and are arranged at the same distance from each other, as is known per se.

Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal wird bei diesem Herstellungsverfahren der aus Thermoelementschenkeln und den fahnenartigen Strombrücken gebildete Aufbau für die Einbettung in eine Kunststoff-, vorzugsweise Gießharzmasse in der Weise vorbereitet, daß die Fahnenteile jeder Fahnenreihe, so weit sie in von Kühlmittel durchströmte Räume hineinragen sollen, je zwischen zwei Leisten gehalten werden, deren Querschnittsform dem Querschnitt des zu bildenden Kühlmittelkanals angepaßt ist, und daß eine weitere, hinsichtlich ihrer Materialstärke der Stärke des Fahnenmaterials angepaßte Leiste mit angesetzten Zungen derart gegen die freien Stirnränder der Fahnen angelegt wird, daß die Zungen den Zwischenraum zwischen den einzelnen Fahnen ausfüllen.According to a further feature of the invention, this manufacturing method is made from thermocouple legs and the flag-like current bridges structure for embedding in a plastic, preferably cast resin compound in the Prepared way that the flag parts of each flag row as far as they flowed through with coolant Spaces should protrude, each held between two strips, whose cross-sectional shape corresponds to the cross-section of the coolant channel to be formed is adapted, and that another, in terms of its material thickness the strength of the flag material adapted bar with attached tongues so against the free The front edges of the flags are created so that the tongues fill the space between the individual Fill in flags.

Nach dem Einbetten des Aufbaus in einen Kunststoffblock können nach dem Erstarren bzw. Aushärten des Blockes sämtliche Leisten aus diesem herausgezogen werden, und die Leisten können dabei zweckmäßig ganz oder lediglich an ihrer Oberfläche aus einem Material bestehen, an dem die Einbettungsmasse nach dem Erstarren bzw. Aushärten nicht haftet.After embedding the structure in a plastic block, after solidification or hardening of the block all strips can be pulled out of this, and the strips can thereby expediently consist entirely or only on their surface of a material on which the embedding compound does not adhere after solidification or hardening.

Mehrere auf diese Weise hergestellte Blöcke können zu einem Kühl- oder Heizaggregat zusammengestellt werden.Several blocks produced in this way can be combined to form a cooling or heating unit will.

309 618/65309 618/65

Die Enden der Kühlmittelrohrleitungen jedes Blockes sollten dann zweckmäßig Rohrstutzen oder Rohrdüsen aufweisen, die mit den entsprechenden Rohrdüsen anderer Blöcke durch Schlauchleitungen verbunden sind.The ends of the coolant pipelines of each block should then suitably pipe sockets or Have pipe nozzles, which with the corresponding pipe nozzles of other blocks by hose lines are connected.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung ist nachstehend an Hand von vier Figuren näher erläutert, von denenAn embodiment of the device according to the invention is shown below with reference to four figures explained in more detail of which

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Heiz- oder Kühlblock zeigt, währendFig. 1 shows a plan view of a heating or cooling block while

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Block nach Fig. 1 entsprechend der Linie A-B zeigt;Figure 2 shows a cross-section through the block of Figure 1 along the line AB ;

Fig. 3 bzw. 4 veranschaulichen ein Querschnittsbzw. Aufsichtsbild von Aufbauhilfsmitteln. Fig. 3 and 4 respectively illustrate a cross section. Supervision image of construction aids.

In den Fig. 1 und 2 sind mit 1 Thermoelementschenkel bezeichnet, die z. B. auf pulvermetallurgischemWege, z.B. durch Schmelzen,Zerkleinern, Mahlen und Sintern von thermoelektrisch wirksamen Substanzen, wie z. B. Wismuttelluriden, hergestellt sein können. Die Thermoelementschenkel 1 sind mit Lötschichten la und Ib belegt. An die Belegungen la und Ib jedes Thermoelementschenkels 1 sind Kühlfahnen 2 und 3 angelötet. Sämtliche Thermoschenkel 1 sind elektrisch hintereinandergeschaltet, wobei der Erregergleichstrom an die Kühlfahnen 3 α und 2 c angeschlossen ist. Die Kühlfahnen 2 a und 2 b sowie 3 b und 3 c bilden die Brückenverbindung zwischen je zwei Elementschenkeln. Die als Stromzuführungen bzw. Strombrücken ausgebildeten Kühlfahnen1 and 2 are denoted by 1 thermocouple legs, the z. B. in powder metallurgical ways, for example by melting, crushing, grinding and sintering of thermoelectrically active substances, such as. B. bismuth tellurides can be produced. The thermocouple legs 1 are covered with solder layers la and Ib . Cooling lugs 2 and 3 are soldered to the assignments la and Ib of each thermocouple leg 1. All thermal legs 1 are electrically connected in series, the direct excitation current being connected to the cooling vanes 3 α and 2 c. The cooling lugs 2 a and 2 b as well as 3 b and 3 c form the bridge connection between two element legs. The cooling lugs designed as power supply lines or power bridges

2 a, 2 b, 2 c sind in der zeichnerischen Darstellung links an die Schenkel 1 und die Fahnen 3 α, 3 b und2 a, 2 b, 2 c are in the graphic representation on the left of the legs 1 and the flags 3 α, 3 b and

3 c rechts von diesen Elementen angelötet. Der Erregergleichstrom verläuft mäanderförmig über die Kühlfahnen und Thermoelementschenkel. Die Kühlfahnenreihen 2a, 2 b, 2 c einerseits und 3 a, 3 b, 3 c -35 andererseits sind um 180° gegeneinander versetzt. Die Fahnen jeder Reihe, also die Fahnen 2 a, 2 b, 2 c bzw. 3 a, 3 b, 3 c sind in der gleichen Ebene und in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Da die elektrischen Verbindungen der Thermoelementschenkel 1 untereinander über die erwähnten Kühlfahnen einen wenig stabilen Aufbau ergeben würden, werden diese Elemente mit Ausnahme der Kühlflächenteile links der Linie 10 bzw. rechts der Linie 11 in eine Kunststoffmasse bzw. ein Gießharz eingebettet. Die aus dem Kunststoffblock herausragenden Flächenenden der Kühlfahnen 2 und 3 können dann in einen gesonderten, das Kühlmittel führenden Kanal eingreifen.3 c soldered to the right of these elements. The direct excitation current runs in a meandering shape over the cooling vanes and thermocouple legs. The cooling flag rows 2a, 2 b, 2 c on the one hand and 3 a, 3 b, 3 c -35 on the other hand are offset from one another by 180 °. The flags of each row, so the flags 2 a, 2 b, 2 c or 3 a, 3 b, 3 c are arranged in the same plane and at the same distance from each other. Since the electrical connections of the thermocouple legs 1 to one another via the cooling tabs mentioned would result in a less stable structure, these elements, with the exception of the cooling surface parts to the left of the line 10 and to the right of the line 11, are embedded in a plastic compound or a casting resin. The surface ends of the cooling lugs 2 and 3 protruding from the plastic block can then engage in a separate channel carrying the coolant.

Vorteilhaft ist es aber, den Kühlkanal bereits innerhalb des auch die Bauelemente halternden Kunststoffblockes vorzusehen, wie dies die Fig. 1 und 2 bereits veranschaulichen. Hierzu wird der aus den Teilen 1, 2 und 3 bestehende instabile, noch unvergossene Aufbau an den Kühlfahnenflächenteilen links der Linie 10 bzw. rechts der Linie 11 zwischen in der Fig. 3 veranschaulichten Leisten 8 und 9 gehalten. Gegen die Stirnseiten der Fahnenenden 2 bzw. 3 wird die in der Fig. 4 in einer Aufsicht dargestellte Leiste 7 angelegt. Diese Leiste weist Zungen la, Ib, Ic und Id auf, die in die Zwischenräume 12 zwischen den Fahnen eingreifen. Die Leiste 7 nimmt dann die in der Fig. 3 veranschaulichte Lage zu den Blöcken 8, 9 bzw. den Fahnen 2 bzw. 3 ein. Nach dem Einbetten des auf diese Weise Zusammengesetzten gesamten Aufbaus in eine Kunststoffmasse bzw. nach dem Vergießen des Aufbaus mit einem Gießharz können die Leisten 7, 8 und 9 (Fig. 3 und 4) aus dem Gießblock 6 (Fig. 1 und 2) herausgezogen werden, wonach im Block 6 die Hohlräume 4 und 5 für die Durchleitung von Kühlflüssigkeit verbleiben. In die Hohlräume 4 und 5 des Blocks 6 ragen dann die Enden der Kühlfahnen 2 und 3, wie in der Fig. 2 verdeutlicht, mittig hinein.It is advantageous, however, to provide the cooling channel within the plastic block that also holds the components, as FIGS. 1 and 2 already illustrate. For this purpose, the unstable, as yet unpotted structure consisting of parts 1, 2 and 3 is held on the cooling lug surface parts on the left of line 10 or on the right of line 11 between strips 8 and 9 illustrated in FIG. 3. The bar 7 shown in a plan view in FIG. 4 is placed against the end faces of the flag ends 2 and 3, respectively. This bar has tongues la, Ib, Ic and Id which engage in the spaces 12 between the flags. The bar 7 then assumes the position illustrated in FIG. 3 in relation to the blocks 8, 9 and the flags 2 and 3, respectively. After embedding the entire structure assembled in this way in a plastic compound or after casting the structure with a casting resin, the strips 7, 8 and 9 (FIGS. 3 and 4) can be pulled out of the casting block 6 (FIGS. 1 and 2) are, after which in block 6, the cavities 4 and 5 remain for the passage of cooling liquid. The ends of the cooling lugs 2 and 3 then protrude centrally into the cavities 4 and 5 of the block 6, as illustrated in FIG. 2.

Die Kühlfahnen 2 und 3 können entweder direkt oder unter Zwischenlötung von Abstandstücken an die Halbleiterschenkel 1 angelötet werden. Die Kühlfahnen können aus relativ dünnem, hoch wärmeleitendem Metallblech, z. B. Kupfer, gefertigt sein und, wie in der Fig. 2 veranschaulicht, L-förmig gebogen sein, wobei der kürzere Fahnenschenkel an das thermoelektrische Element angelötet und der längere Fahnenschenkel für das Eintauchen in den Kühlmittelraum 4 bzw. 5 bestimmt ist. Die Fahnenreihen können natürlich auch im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 2 so versetzt zueinander an die Schenkel angelötet sein, daß sämtliche Kühlfahnen beider Fahnenreihen und ebenso die Kühlmittelkanäle 4, 5 in einer und derselben Ebene angeordnet sind.The cooling lugs 2 and 3 can either be connected directly or with spacers soldered between them the semiconductor legs 1 are soldered on. The cooling fins can be made of relatively thin, highly thermally conductive Sheet metal, e.g. B. copper, be made and, as illustrated in FIG. 2, bent L-shaped be, with the shorter flag leg soldered to the thermoelectric element and the longer flag legs for immersion in the coolant chamber 4 or 5 is intended. The rows of flags can of course also, in contrast to the illustration in FIG. 2, offset from one another to the Legs are soldered on, that all cooling lugs of both rows of lugs and also the coolant channels 4, 5 are arranged in one and the same plane.

Die Einbettungsmasse soll aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen.The embedding compound should consist of poorly thermally conductive material.

Claims

PATENT CLAIMS:

1.Heating and cooling device with a large number of spaced apart thermocouples whose power supply lines and / or connecting lines for the electrical connection of the elements to one another are designed as cooling lugs, the thermocouples being cast together with parts of the cooling lugs in a poorly thermally conductive plastic block, characterized in that the other parts of the cooling vanes are immersed in cavities through which cooling liquid flows and which are preferably present in the same plastic block.

2. Process for producing heating or cooling devices with Peltier elements according to Claim 1, in which a plurality of e.g. B. produced by powder metallurgy, by Sintering compression molded thermocouple legs covered with solder layers, preferably made of bismuth tellurides or their mixed crystals, at a distance from one another, preferably in alignment, arranged next to or behind one another and through soldered-on current conductor bridges designed as cooling lugs, z. B. meander-shaped, electrically connected in series, characterized in, that two rows of cooling vanes offset from one another by about 180 ° are formed, in which the Flags in each row are essentially on the same level and at the same distance from one another are arranged.

3. The method according to claim 2, characterized in that from the thermocouple legs and the flag-like current bridges structure for embedding in a plastic preferably cast resin compound in the Way is prepared that the flag parts of each flag row, as far as it flowed through by coolant Spaces should protrude, each held between two strips, the cross-sectional

shape is adapted to the cross section of the coolant channel to be formed, and that one each further, with respect to their material thickness of the strength of the flag material adapted bar attached tongues is applied against the free front edges of the flags that the tongues fill in the space between the individual flags.

4. The method according to claim 3, characterized in that all strips according to the Embed the structure in a plastic block after the block has solidified or hardened be pulled out of this.

5. The method according to claim 3, characterized in that the strips entirely or only consist of a material on their surface to which the embedding compound does not adhere.

Considered publications: German Patent Specifications No. 823 299, 829 171; German Auslegeschriften No. 1 034 669, 456, 1068 279;
German utility model No. 1778 635, 785 656;

U.S. Patent Nos. 413 136, 2749 716, 837 899, 2,881,894.

1 sheet of drawings