DE1243743B - Thermoelektrische Anordnung - Google Patents

Description

• Thermoelektrische Anordnung Der Zusammen au von Thermoelementschenkeln (die auf dem Schmelz- oder Sinterwege hergestellt wurden) zu einem. thermoelektrischen Gerät erfolgt in der Praxis bisher durch aufwendige und zeitraubende Verfahren, -wie Kontaktieren der Kontaktflächen der Thermoelementschenkel, z. B. durch Verwismuten, eventuell unter Anwendung von Ultraschall, oder durch galvanische Vernickelung und Auflöten von elektrisch leitenden Verbindungsbrücken, Es ist jedoch auch schon vorgeschlagen worden, bei einer Anordnung mit nebeneinander angeordneten und durch Isoliermaterial voneinander getrennten Thermoelementschenkeln als elektrische Kontaktglieder Leitlackstreifen zu verwenden, die mit galvanischer Metallauftragung zu Metallstreifen verstärkt sind (deutsche Patentschrift 1166 860).
• Es ist bekannt, bei Thermogeneratoren nebeneinanderliegende Blöcke aus unterschiedlichen thermoelektrisch wirksamen Materialien an einem Ende dadurch elektrisch zu verbinden, daß ein Ansatz des einen Blockes in eine entsprechende Aussparung des benachbarten Blockes mit Paßsitz eingreift (deutsche Patentschrift 105 170). Ferner ist bereits ein Thermogenerator beschrieben worden, bei dem die zusammenwirkenden Körper aus unterschiedlichen thermoelektrisch wirksamen Materialien als Ringscheiben ausgebildet sind und die, eine Scheibe an den Rändern ringförinige Erhebungen aufweist, die mit den benachbarten Scheiben Kontakt bilden _(deutsche Patentschrift 878521). Bei thermoelektrischen Anordnungen ist es weiterhin bekannt, nebeneinanderliegende, Schenkel in Parallelogrammform mit I-Elfe einer isolierenden Masse zu einem Block zu vergießen (britische Patentschrift 874 660).
• Die Erfindung bezieht sich auf -eine thermoelektrische. Anordnung zur Kühlung bzw. Erwärmung oder zur Stromerzeugung, bei der Schenkel mit paarweise gleichen Querschnitten in Parallelogrammform vorgesehen und zu einem Block mit Hilfe eines isolierenden organischen oder an . organischen Klebemittels kleiner Wärmeleitfähigkeit zusammengeklebt oder vergossen sind und bei der mindestens die Schenkel des einen Leitungstyps- einen oder zwei leistenartige Vorsprünge besitzen und - die einzelnen Schenkel derart geformt sind, daß beim Zusammen fügen zweier Schenkel eine Kontaktbrücke. gebildet wird.
• Die Erfindung besteht darin, daß die Kontakt" brücken durch auf Dieb Stirnflächen der Schenkel aufgedampfte und/oder aufgespritzte und[oder gaIvanisch aufgebrachte Metallschichten und/oder aufgeklebte Metallfolieii verstärkt sind. Gegenüber der bisher üblichen Verwendung von MetaRbrücken, die auf die metallisiärten Stimflächen der Thermoelementschenkel aufgelötet sind, ergibt die Erfindung eine erhebliche Vereinfachung, so daß in wirtschaftlicher Hins ' icht bedeutende Ersparnisse erzielt werden können. Andererseits wird durch die Erflndung gegen-über den bekannten Anordnungen, bei denen die Kontaktbrücken lediglich -durch die der Halbleiterschen - kel gebildet sind, eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht. Bei Verwendung von Kontaktbrücken, die lediglich aus Halbleitermaterial bestehen, ergibt. sich nämlich innerhalb der Schenkel eine ungleichmäßige Stromdichteverteilung, da sich der Strom in der Nähe der relativ schmalen Brücken konzentriert. Aus der ungleichmäßigen Stromdichteverteilung ergeben sich wiederum erhöhte, Verluste und damit eine Herabset zung des Wirkungsgrades. Dies wird durch die Metallisierung der an -die- Verbindungsstellen angrenzenden Stirnflächen der Schenkel vermieden. Da der spezifische Widerstand der Metallschicht um Größenordnungen kleiner ist als der des Halbleitermaterials, ergibt sich. unabhängig von der Lage der Halbleiterbrücken eine gleichmäßige Stromverteilung.
• Die Erfindung ist insbesondere bei solchen Anordnugen _anwendbar, bei denen als Schenkel gepreßte oder gesinterte Fertigformteile verwendet sind. Als Schenkel können aber auch im Schmelzvorgang hergestellte und bearbeitete Teile verwendet sein.
• In den F i g. 2 bis 9 sind einige Möglichkeiten für die Verbindung von thermoelektrischen Schenkeln im Rahmen der Erfindung dargestellt. F i g. 1 zeigt die bisherige Methode. In den Figuren bedeutet A einen Schenkel ohne leistenartige Vorsprünge mit einer bestimmten Leitungsart, beispielsweise mit p-Leitung; der in den Figuren ün Querschnitt schrafflerte Körper mit der entgegengesetzten Leitungsart (beispielsweise n-Leitung) wird durch'gekennzeichnet. Mit B ist ein Schenkel angegeben, der einen einzigen leistenartigen Vorsprung hat und p-leitend ist. B' (im Querschnitt schraffiert) ist dann ein n-leitender Schenkel mit einem leistenartigen Vorsprung.
• Mit C ist ein Schenkel bezeichnet, der zwei leistenartige Vorsprünge trägt und p-leitend ist; der zugehörige Schenkel C', der in den Figuren , schraffiert dargestellt ist, trägt ebenfalls zwei leistenartige Vorsprünge und ist ii-leitend.
• In F i g. 1 ist die #bisher übliche Bauweise einer Serie von Thermoelementen dargestellt. p-leitende und ri-leitende. Schenkel, beispielsweise abwechselnd angeordnet, werden durch Brücken b in der in der Figur dargestellten Weise verbunden, beispielsweise verlötet.
• In F i g. 2 ist eine einfache Bauweise von Thermoelementreihen im -Rahmen dieser Erfindung dargestellt. n-leitende und p-leitende Schenkel gleicher Größe -und gleicher-rorm (was eine Ersparnis an Matrizen ergibt) sind in der in der Figur dargestellten Weise ohne Zuhilfenahme besonderer Kontaktbrücken verbunden. hdoch können die Größen und Formen der beiden Schenkeltypen auch verschieden sein.
• In F i g. 3 sind n-leitende und p-leitende Schenkel mit je zwei leistenartigön.Vorsprüngen dargestellt. ,-In F i g. 4 ist ein' Reihe von Thermoelementen gezeigt, die aus C Körpe"r'n' (zwei Vorsiprünge, p-leitend) und aus A' Körpern (kein Vorsprung, n-leitend) dargestellt ist.
• Die F i g. 5 versteht sich nach diesem Schema von selbst.
• In denFig.6, 7 und 9 sind an den Enden der zwischen zwei Schenkeln entstehenden Schlitze Erweiterungen angegeben, die beispielsweise das Einfällen des Isoliermittels erleichtern und den Isolierabstand vergrößern. Auch sind diese Erweiterungen wichtig, um das Zuwachsen derjenigen Schlitze, die isoliert bleiben sollen, zu verhindern; außerdem tragen die Schenkel in den F i g. 6 bis 9 Ausnehmungen zur Aufnahme der entsprechend ausgebildeten Yorsprünge.
• In F i g. 8 haben die Schenkel schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen und schwalbenschwanzförmige Vorsprünge.
• In F i g. 9 sind Schenkel verschiedenen Querschnittes dargestellt.
• Fig. 10 zeigt dieUnteransichteinerfertiggestellten Platte, Fig. 11 die entsprechende Oberseite.
• An Hand von F i g. 12 wird im folgenden ein Verfahren zur Herstellung von Thermoelementblöcken (Peltierblöcken) erläutert, wobei F i g. 13 die Preß- und Stromrichtung für den einzelnen Schenkel zeigt.
• Stangen thermoelektrischen Materials mit Querschnitten entsprechend den F i g. 2 bis 9, abwechselnd mit p- und n-Leitung (in der F i g. 12 mit B und B' bezeichnet), werden mit Hilfe eines Klebemittels 20 zu einem flachen, ebenen Körper verklebt. Von diesem Körper werden durch Schnitte senkrecht oder angenähert senkrecht zur Längsausdehnung des ebenen Körpers Reihen von verklebten, hintereinandergeschalteten Thermoelementen bzw. Thermoelementschenkeln abgetrennt. Mehrere solcher Reihen werden durch ein isolierendes Klebemittel zu einem Block zusammengeklebt, etwa wie es in den F i g. 10 und 11 dargestellt ist. Die Kontaktbrücken werden dann noch in der unten näher erläuterten Weise metallisch verstärkt. Dieses Verfahren ermöglicht es, in sehr arbeitssparender Weise Thermoelementblöcke herzustellen.
• Die elektrisch leitende Verbindung zwischen benachbarten Schenkeln wird erfindungsgemäß durch Aufdampfen, galvanische Abscheidung, Aufspritzen und/oder durch Aufkleben von metallischen Folien metallisch verstärkt. Dabei werden auf den Kontaktflächen (Stimflächen der Schenkel) metallische Schichten gebildet. Nach den bisherigen Messungen sollen die Schichten aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden Metall oder einer Metallegierung eine Dicke von 100 bis 500 li aufweisen. Im Fall einer Verstärkung der Brücken durch Bedampfung wird eine Maske aufgesetzt, die auf den beiden Kontaktflächen Ausschnitte für die Brücken trägt. Zunächst kann ein Metall wie Nickel oder Eisen oder, Molybdän in einer Schichtdicke von 1 bis 5 [t aufgedampft werden. Darauf wird ein zweites Metall wie Kupfer, Silber oder Aluminium in einer Stärke bis zu 500 #t aufgedampft. Die Bedampfun svorgänge können in .,9 einer Durchlaufapparatur in unmittelbar aufeinanderfolgenden Schritten durch Bedampfen mittels zweier getrennter Bedampfer erfolgen. Die Platten werden bei dieser Apparatur ein- und ausgeschleust, so daß ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet ist. Die Al-Brücken können nachträglich eloxiert werden, wobei eine elektrisch nichtleitende dünne Oxydsch.icht entsteht, die einen ausgezeichneten Wärmekontakt bietet.
• Werden die Brücken galvanisch abgeschieden, so werden die Schenkel, gemäß F i g. 10 angeordnet, mit einem isolierenden Kunststoff zu einer Platte vergossen. Die Oberflächenreinigung vor der Abscheidung der galvanischen Schichten erfolgt durch chemische Reinigung mit Lösungsmitteln, Säuren oder Laugen, elektrochemisch durch elektrolytische Bäder oder durch mechanische Reinigung (Schmirgeln bevorzugt auf nassem Kortmdleinen). Um die elektrische Leitung der sich berührenden Schenkel zu verbessern, kann über die Berührungszonen eine dünne Leitlackschicht aufgetragen werden. Die galvanische Abscheidung einer Nickelschicht auf dem Halbleiter erfolgt bevorzugt aus sauren Bädern. Die Nickelschicht verwächst gut mit der rauhen Oberfläche des Halbleiters und füllt die Oberflächenhohlräume aus. Die Nickelschichtdicke beträgt zwischen 3 und 5 R. Auf die Nickelschicht wird aus -saurem Kupferbad eine bis 500 #t starke Kupferschicht abgeschieden. Eine bis 10 mm starke Stromblende um die Platte führt zu einer gleichmäßigen Stromdichteverteilung und dadurch zu einer gleich starken Schicht.
• Beim Aufspritzen der Brücken werden meist mehrere verschiedene Metallschichten verwendet, wobei die erste Schicht aus Mo oder Ni in einer Schichtdicke von etwa 50 li besteht und darauf eine Kupferschicht mit einer Schichtdicke von bis 1 rnm gespritzt wird. Zum Aufspritzen ist ein Spritzpistole geeignet, bei der das zu spritzende Metall in Pulverform, mit einer Komgröße um 100 R verwendet wird. Bevorzugt wird eine Spritzpistole, die einen Plasmastrahl erzeugt. Beim Spritzen der Brücken ist es zweck' mäßig, die Isoliertrennschichten zwischen den Schenkeln etwa um die Brückendicke über die Schenkeloberfläche hochzuziehen.
• Der Zwischenraum zwischen den beiden Schenkeln ist mit einem elektrischen Isolierstoff kleiner Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt. Diese Stoffe können z. B. ein organischer Klebstoff oder ein Glas in kompaktem oder porösem Zustand oder eine Folie aus organischem Material (Papier) oder anorganischem Material (Asbestfolie) sein. Die Dicke der Isolierstoffschicht kann kleiner als 0,5 mm, vorzugsweise kleiner als 0,1 -rnm, sein. Zweckmäßigerweise werden die Schenkel über einen Klebstoff mit. dem Isolierstoff zusammengehalten, wobei der Klebstoff selbst die Isolierschicht bilden kann. Die Kontaktflächen sind durch eine der angegebenen Maßnahmen metallisch verstärkt. F i g. 10 zeigt die Unte-ransicht einer thermoelektrischen Anordnung zur Kühlung, die aus 62 Thermoelementschenkeln (31 p- und 31 n-Schenkel) und zwei Zuführungsstellen besteht. F i g. 11 zeigt die Ansicht der Platte von oben, in beiden Fällen sind die metallisch verstärkten Brücken sichtbar. In beiden Ansichten sind je ein p# und n-Schenk#I gestrichelt eingezeichnet.
• In den meisten Figuren haben die Proben etwa Würfelform, und beide Schenkel (p und n) haben den gleichen Querschnitt. Die Querschnitte für die p- und n-Schenkel können jedoch verschieden sein. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die elektrischen Leitfähigkeiten der beiden Schenkelmaterialien stark voneinander abweichen. In diesem Fall kann die Dimensionierung so festgelegt werden, daß beide Schenkel gleichen Widerstand haben (Querschnitte verschiedene Rechtecke oder ein Schenkel quadratisch). Es können jedoch auch andere Querschnittsformen, wie Parallelogramrne oder Dreiecke, Verwendung finden. Beispiel Aus 31 p- und 31 n-Schenkeln der Dimension 5 - 5 - 5 mm wird eine thermoelektrische Kühlplatte zusammengebaut. Das p-Material besteht aus einer Legierung von 30 Molprozent BiJe, und 70 Molprozent Sb.Te", der 3 Gewichtspr#zent Te und 0,075 Gewichtsprozent Pb als Dotierung zugesetzt sind. Die n-Legierung besteht aus 80 Molprozent BiJe3, 20 Molprozent Bi.Se" und einer Dotierung von 0,075 Gewichtsprozent CuBr. Beide Legierungen werden aus den Komponenten der Reinheit 99,99,1/o durch Zusammenschmelzen in einem evakuierten abgeschmolzenen Quarzrohr hergestellt.
• Nach dem Zerkleinern und Absieben der Korngrößen der p-Legierung kleiner -als 0,5 mm, der n-Legierung zwischen 0,06 und 0,5 mm werden die Pulver in einer Stahlmatrize mit 4 t/cm2 verpreßt, so daß der Vorsprung des Schenkels in der Preßfläche liegt (F i g. 13). Nach dem Zusammen au der Schenkel zu einer Kühlplatte erfolgt die Stromrichtung a senkrecht zur Preßrichtung P. Die Preßhöhe beträgt 5 mm. Die Preßkörper aus dem p-Material werden 5 Stunden lang, die aus dem n-Material 2 Stunden lang bei 3800 C in reinem Wasserstoff gesintert. Die Eigenschaftswerte der Schenkel werden bestimmt zu: (n-Schenkel) oc= - 160 #X/Grad,- a= 1050 Q-Icm-'; (p-Schenkel) ot=+180[tV/Grad, Y=11009-Icm-l.
• Die Schenkel werden so in eine Form gelegt, daß jeweils ein p- und ein n-leitender Schenkel aufeinanderfolgen und durch Brücken alle Schenkel in Serie geschaltet sind. Danach werden die Zwischenräume zwischen den Schenkeln mit Epoxydharz ausgegossen und das Epoxydharz bei 180' C während 2 Stunden gehärtet. Für das Zusammenkl en der Schenkel kann auch ein porenbildender, härtbarer Kunststoff kleinerWärmeleitfähigkeit verwendet werden. Nach dem Härten des Kunststoffes kann die Platte der Form entnommen werden. Die beiden Außenflächen können, falls erforderlich, noch abgeschliffen werden. Infolge der hohen Genauigkeit der Sinterkörper ist dies im allgemeinen nicht erforderlich. Danach werden die Oberflächen gereinigt und 3 bis 5 #t starke Nickelschichten an den Schenkeloberflächen und an den Brückenstellen galvanisch abgeschieden. Auf die Nickelschicht wird galvanisch eine 200 li starke Kupferschicht abgeschieden. Der Gesamtwiderstand des Kühlsystems beträgt 110 mOhm, das entspricht einem Wert von 3,54 mOhm für ein Thermoelement, wobei das Element aus einem -p- und einem n-Schenkel sowie vier Kontaktflächen einschließlich der den p- und n-Schenkel verbindenden Brücke besteht. Demgegenüber wird bei einem System mit verwismuteten Schenkeln und angelöteten 1,5 mm starken Kupferbrücken ein Wert von 3,9 mOhm pro Thermoelement gemessen.
• Ein Kühlversuch ergibt bei 16 A eine Temperaturdifferenz von 50' C, wobei die warme Seite eine Temperatur von 401 C hat. Damit wird der Wert der Temperaturdifferenz für die bisher nach anderen aufwendigeren Verfahren hergestellten Kühlblöcke überschritten.
• Das thermoelektrische Gerät kann als Kühlplatte verwendet werden, indem an die Stromzuführungen eine Gleichspannung angelegt wird. Durch einen Temperaturfühler und an sich bekannte Schaltungen kann durch Stroraumpolung eine durch das Regelglied einzustellende Temperatur gehalten werden. In diesem Fall wird das thermoelektrische Gerät als Thermostat verwendet. Wirken auf die beiden Kontaktflächen verschiedene Temperaturen ein, so entsteht an den Anschlußklemmen eine thermoelektrische Spannung, und beim Anschließen eines Verbrauchers fließt über den Verbraucher ein thermoelektrischer Strom. In diesem Fall ist das thermoelektrische Gerät als Stromerzeuger (Energieumformer) eingesetzt.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Thermoelektrische Anordnung zur Kühlung bzw. Erwärmung oder zur Stromerzeugung, bei der Schenkel mit paarweise gleichen Querschnitten in Parallelogrammform vorgesehen und zu einem Block mit Hilfe eines isolierenden organischen oder anorganischen Klebemittels kleiner Wärmeleitfähigkeit zusammengeklebt oder vergossen sind und bei der mindestens die Schenkel des einen Leitungstyps einen oder zwei leistenartige Vorsprünge besitzen und die einzelnen Schenkel derart geformt sind, daß beim Zusammenfügen zweier Schenkel eine Kontaktbrücke gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbrücken durch auf die Stirnflächen der Schenkel aufgedampfte und/oder aufgespritzte und/oder galvanisch aufgebrachte Metallschichten und/oder aufgeklebte Metallfolien verstärkt sind (F i g. 10 und 11). 2. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn eichnet, daß jeder Schenkel mindestens des einen Leitungstyps eine Ausnehmung zur Aufnahme des entsprechenden leistenartigen Vorsprunges des benachbarten Schenkels des anderen Leitungstyps besitzt (F i g. 7, 8 uid 9). 3. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen und die entsprechenden leistenartigen Vorsprünge eine schwalbenschwanzartige Form besitzen (F i g. 8). 4. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur leichteren Einfüllung des Klebemittels und zur Vergrößerting des Isolierabstandes die Seitenwände mindestens der Schenkel des einen Leitungstyps eine trichterförmige Erweiterung bilden (F i g. 6, 7 und 9). 5. Thermoelektrische Anordnung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schenkel gepreßte und gesinterte Fertigformteile verwendet sind. 6. Thermoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schenkel im Schmelzvorgang hergestellte und bearbeitete Teile verwendet sind. In Betracht gezogene Druckschriften. Deutsche Patentschriften Nr. 29 772, 105 170, 161223, 463 726, 653 017, 878 521; britische Patentschrift Nr. 874 660. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1166 860.