DE69318663T2

DE69318663T2 - Thermoelektrische Kühlvorrichtung für thermoelektrischen Kühlschrank und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69318663T2
Application number: DE69318663T
Authority: DE
Inventors: Fumio Hisano; Atsushi Osawa; Motohiro Sakai; Hirofusa Tezuka; Hideo Watanabe
Original assignee: Thermovonics Co Ltd
Current assignee: Thermovonics Co Ltd
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1993-10-04
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2013-10-05
Also published as: EP0592044A3; US5409547A; AU4882193A; EP0838868A2; EP0592044B1; AU667747B2; EP0838868A3; DE69318663D1; AU676811B2; JPH06174329A; EP0592044A2; JP3451107B2; AU4335696A

Description

a) Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine thermoelektrische Kühlvorrichtung und insbesondere eine thermoelektrische Kühlvorrichtung für einen thermoelektrischen Kühlschrank bzw. eine thermoelektrische Kühlapparatur. Außerdem betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters, der geeignet zur Verwendung bei der thermoelektrischen Kühlvorrichtung und auch bei einem thermoelektrischen Kühlschrank ist, welcher die thermoelektrische Kühlvorrichtung verwendet.

b) Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Unter thermoelektrischen Geräten werden diejenigen Geräte als Peltier-Geräte oder thermoelektrischen Kühlgeräte bezeichnet, die in der Lage sind, ein gewünschtes Objekt bzw. einen Gegenstand bei Einspeisung elektrischer Energie abzukühlen, und werden beispielsweise in kompakten Kühlboxen oder dergleichen eingesetzt. Diese ziehen als Kühlvorrichtungen, die nicht irgendein Kühlmedium verwenden, wie beispielsweise ein Chlorfluorcarbon, wie beispielsweise "Freon" oder "Flon", Aufmerksamkeit auf sich.
Eine übliche thermoelektrische Kühlvorrichtung ist aufgebaut, wie in Fig. 35 dargestellt. Insbesondere ist eine wärmeaufnahmeseitige Elektrode 102 oberhalb eines wärmeaufnahmeseitigen isolierenden Substrats 100, das aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, durch bzw. über eine wärmeaufnahmeseitige Lotschicht 101 angeordnet. Auf der wärmeaufnahmeseitigen Elektrode 102 sind sowohl eine p-Typ-Halbleiterschicht 103 als auch eine n-Typ-Halbleiterschicht 104 ausgebildet.
Eine wärmeabgabeseitige Elektrode 105 ist so ausgebildet, daß die p-Typ-Halbleiterschicht 103 und die n-Typ-Halbleiterschicht 104 miteinander verbunden sind. Oberhalb der wärmeabgabeseitigen Elektrode 105 ist ein wärmeabgabeseitiges Isolationssubstrat 107, das aus Aluminiumoxid oder dergleichen besteht, durch bzw. über eine wärmeabgabeseitige Lotschicht 106 angeordnet.
Eine Anzahl solcher p-Typ-Halbleiterschichten 103 und n-Typ-Halbleiterschichten 104 sind alternierend zwischen dem wärmeaufnahmeseitigen isolierenden Substrat 100 und dem wärmeabgabeseitigen isolierenden Substrat 107 angeordnet und sind elektrisch in Reihe geschaltet.
Das Anlegen eines vorbestimmten Stromes über die thermoelektrische Kühlvorrichtung bewirkt eine Wärmeaufnahme auf der Seite des wärmeaufnahmeseitigen isolierenden Substrats 100, so daß eine Abkühlung um das wärmeaufnahmeseitige isolierende Substrat herum erfolgt. Auf der anderen Seite erfolgt eine Wärmeabgabe bzw. Wärmeableitung auf der Seite des wärmeabgabeseitigen isolierenden Substrats 107. Eine Wärmeabgabe nach außen hin mit Hilfe von Wärmesenken oder dergleichen bewirkt eine Übertragung von Wärme bzw. thermischer Energie.
Die Wärmepumpleistung der thermoelektrischen Kühlvorrichtung wurde bisher durch die folgende Beziehung (i) ausgedrückt:
Qab = nSTcI - (1/2)I²R - K ΔT (i)
wobei
Q: Wärmepumpleistung (W)
n: Anzahl von Halbleiterelementen (Stücke)
S: Seebeck-Koeffizient (V/K)
Tc: kaltseitige Temperatur des Halbleiters (K)
I: Größe des Stroms, der über die thermoelektrische Kühlvorrichtung angelegt wird (A)
R: innerer Widerstand der thermoelektrischen Vorrichtung (X)
K: Wärmedurchgangskoeffizient der thermoelektrischen Vorrichtung (W/K)
Die obige Formel wurde jedoch aus einer qualitativen Betrachtung heraus abgeleitet und ihr Konzept beruht auf der Annahme, daß die Temperaturverteilung innerhalb der Vorrichtung linear ist. Darüber hinaus stellt diese eine thermische Berechnung dar, die einzig und allein auf die thermoelektrische Kühlvorrichtung abstellt, weshalb sie bei der Berechnung der Leistungsfähigkeit des gesamten Systems einschließlich der thermoelektrischen Kühlvorrichtung (beispielsweise bei einem System, wie einem thermoelektrischen Kühlschrank) versagt.
Außerdem wurde die Korrelation zwischen der Gütezahl bzw. Kenngröße (Z; figure of merit) der thermoelektrischen Kühlvorrichtung und dem Maximalwert φmax des Wirkungsgrads durch die folgende Formel (ii) festgelegt wurde:
φmax = 1/Tc (Tc/2 - ΔT/Z/Tc) (ii)
wobei
φmax: Maximum des Wirkungsgrads
Tc: kaltseitige Temperatur des Halbleiters (K)
Z: Gütezahl des Halbleiters
Z= S² /κ
S: Seebeck-Koeffizient
: spezifische elektrische Leitfähigkeit
κ: Wärmeleitfähigkeit
ΔT: Temperaturdifferenz zwischen der kalten Seite und der warmen Seite des Halbleiters (K)
Auf Grundlage der Formel (ii) wurden thermoelektrische Kühlsysteme und andere Kühlsysteme hinsichtlich des Wirkungsgrads bzw. Leistungskoeffizienten (COP) verglichen, wie in Fig. 36 gezeigt [siehe Technical Report (II) der Electric Society of Japan, Nr.43]. In dem Diagramm werden die Wirkungsgrade einer Kompressorkühlung, eines Wärmeabsorptionssystems und einer Kühlung mittels einer direkt angetriebenen Wärmepumpe (DDHP) unter der Annahme miteinander verglichen, daß ihre Kondensationstemperaturen und Verdampfungstemperaturen gleich den Temperaturen an den warmen bzw. kalten Kontaktstellen bzw. Übergängen einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung sind.
Das Diagramm zeigt jedoch nichts anderes als den oberen Grenzwert des theoretischen Wertes des Wirkungsgrads, den die thermoelektrische Kühlvorrichtung als diskretes Gerät annehmen kann, mit anderen Worten, unter der Voraussetzung eines unendlich guten Wärmeaustausches. Das Diagramm kann nicht die Berechnung der Leistungsfähigkeit bzw. des Wirkungsgrads des gesamten Systems einschließlich der thermoelektrischen Kühlvorrichtung ermöglichen.
Bei der thermoelektrischen Kühlvorrichtung weisen die isolierenden Substrate 100, 107 ihrerseits einen großen Wärmewiderstand auf, weil, wie vorstehend beschrieben, diese aus Keramiken, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder dergleichen, bestehen.
Außerdem gibt es eine Vielzahl von Wärmewiderständen einschließlich der thermischen Kontaktwiderstände an den Berührungsgrenzflächen zwischen einem wärmeaufnahmeseitigen Wärmeleiter, wie beispielsweise Rippen bzw. Kühlrippen (nicht dargestellt), und dem wärmeabgabeseitigen isolierenden Substrat 100, zwischen dem wärmeaufnahmeseitigen isolierenden Substrat 100 und der wärmeaufnahmeseitigen Lotschicht 101, zwischen der wärmeaufnahmeseitigen Lotschicht 101 und den wärmeaufnahmeseitigen Elektroden 102, zwischen den wärmeaufnahmeseitigen Elektroden 102 und den p- Typ- und n-Typ-Halbleiterschichten 103, 104, zwischen den p-Typ- und n-Typ-Halbleiterschichten 103, 104 und den wärmeabgabeseitigen Elektroden 105, zwischen den wärmeabgabeseitigen Elektroden 105 und der wärmeabgabeseitigen Lotschicht 106, zwischen der wärmeabgabeseitigen Lotschicht 106 und dem wärmeabgabeseitigen isolierenden Substrat 107 und zwischen dem wärmeabgabeseitigen isolierenden Substrat 107 und einem wärmeabgabeseitigen Wärmeleiter, wie beispielsweise Rippen bzw. Kühlrippen (nicht dargestellt), gibt, ebenso wie Wärmewiderstände der wärmeaufnahmeseitigen und wärmeabgabeseitigen Wärmeleiter ihrerseits. Die interne Temperaturdifferenz der Halbleitervorrichtung wird deshalb unnötig groß, so daß die Kühlleistung und der Wirkungsgrad erheblich verringert werden. Der Wirkungsgrad der tatsächlichen Kühlleistung beträgt deshalb etwa 50% oder weniger des theoretischen oberen Grenzwertes, der in Fig. 36 gezeigt ist.
Eine herkömmliche thermoelektrische Vorrichtung, die eine dielektrische Schicht in Kontakt mit einem Wärmeleiter aufweist, ist in US-A-5,040,381 offenbart. Außerdem wird in EP-A-0 176 671 ein thermoelektrisches Modul offenbart, bei dem ein metallischer innerer Wärmeleiter einen Wärmetauscher berührt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine thermoelektrische Kühlvorrichtung für einen thermoelektrischen Kühlschrank bzw. eine Kühlapparatur zu schaffen, welche Vorrichtung in der Lage ist, solche Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, um eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Kühlleistung und des Wirkungsgrads zu ermöglichen, ein Verfahren für die Massenherstellung von Halbleitern zu schaffen und auch einen flonfreien oder freonfreien thermoelektrischen Kühlschrank zu schaffen, der kleine Abmessungen, ein geringes Gewicht und eine geringe Lärmentwicklung aufweist.
In Anbetracht des vorher gesagten, gelang es den benannten Erfindern, eine thermoelektrische Differentialgleichung abzuleiten, die die Realität hinsichtlich der Wärmeleitung über bzw. durch eine thermoelektrische Kühlvorrichtung besser wiedergeben kann. Auf Grundlage der thermoelektrischen Differentialgleichung haben die benannten Erfinder ein Verfahren zur Analyse eines thermischen Gleichgewichtes in dem gesamten thermoelektrischen Kühlsystem einschließlich eines ersten inneren Wärmeleiters und eines ersten äußeren Wärmeleiters entwickelt, die außerhalb bzw. außenseitig von wärmeaufnahmeseitigen Elektroden der thermoelektrischen Kühlvorrichtung angeordnet sind, und einschließlich eines zweiten inneren Wärmeleiters und eines zweiten äußeren Wärmeleiters, die beide außerhalb bzw. außenseitig von wärmeabgabeseitigen Elektroden der thermischen Kühlvorrichtung angeordnet sind, und sie haben ein Simulationsprogramm entwickelt, das den effizienten Einsatz des oben genannten Verfahrens mit Hilfe eines Computers, wie beispielsweise eines einfachen Personalcomputers, ermöglicht.
Im Verlauf der Verifikation des Simulationsprogrammes und von empirischen Daten haben die benannten Erfinder Sorgfalt auf Korrelationen unter den folgenden Parametern gelegt:
(1) der mittleren Gütezahl bzw. Kennzahl (figure of merit) der p-Typ- und n-Typ-Halbleiter, Z,
(2) der mittleren Stärke der Halbleiter, t,
(3) der Wärmeleitfähigkeit des ersten inneren Wärmeleiters auf der wärmeaufnehmenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KCP,
(4) der Wärmeleitfähigkeit des ersten äußeren Wärmeleiters auf der wärmeaufnehmenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KC,
(5) der Wärmeleitfähigkeit des zweiten inneren Wärmeleiters auf der wärmeabgebenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KHP , und
(6) der Wärmeleitfähigkeit des zweiten äußeren Wärmeleiters auf der wärmeaufnehmenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KH .
Die vorstehende Aufgabe wurde gelöst, indem die numerischen Bereiche der einzelnen Parameter spezifiziert wurden, wie sie nachfolgend beschrieben werden.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wurde somit eine thermoelektrische Kühlvorrichtung für einen thermoelektrischen Kühlschrank bzw. eine Kühlapparatur geschaffen, welche Vorrichtung besteht aus:
einer Anzahl von p-Typ-Halbleiterschichten und von n-Typ-Halbleiterschichten, die Seite an Seite angeordnet sind,
einem ersten inneren Wärmeleiter, der wärmeaufnahmeseitige Elektroden aufweist, die außerhalb von wärmeaufnahmeseitigen Enden der p-Typ- und n-Typ- Halbleiterschichten angeordnet sind,
einem ersten äußeren Wärmeleiter, der außerhalb des ersten inneren Wärmeleiters angeordnet ist,
einem zweiten inneren Wärmeleiter, der wärmeabgabeseitige Elektroden aufweist, die außerhalb von wärmeabgabeseitigen Enden der p-Typ- und n-Typ-Halbleiterschichten angeordnet sind, und
einem zweiten äußeren Wärmeleiter, der außerhalb des zweiten inneren Wärmeleiters angeordnet ist,
wobei die p-Typ-Halbleiterschichten und die n-Typ-Halbleiterschichten alternierend elektrisch leitend in Reihe geschaltet sind, so daß sich eine p-Typ-Schicht mit einer n-Typ-Schicht abwechselt, und zwar über bzw. durch die wärmeaufnahmeseitigen Elektroden und die wärmeabgabeseitigen Elektroden,
dadurch gekennzeichnet, daß die p-Typ-Halbleiterschichten und die n-Typ- Halbleiterschichten eine mittlere Stärke (t) von mindestens 0,08 cm aufweisen und daß die mittleren Gütezahlen (Z; figure of merit) der p-Typ-Halbleiterschichten und n-Typ- Halbleiterschichten bis auf mindestens 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) eingehalten werden, daß die Wärmeleitfähigkeit (KCP) des ersten inneren Wärmeleiters (KCP) innerhalb eines Bereiches von 8-20 W/ºCcm² der Querschnittsflächen sowohl der p-Typ-Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird, daß die Wärmeleitfähigkeit (KC) des ersten äußeren Wärmeleiters (KC) innerhalb eines Bereiches von 3-10 W/ºCcm² der Querschnittsfläche sowohl der p-Typ-Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird, daß die Wärmeleitfähigkeit (KHP) des zweiten inneren Wärmeleiters (KHP) innerhalb eines Bereiches von 8-20 W/ºCcm² der Querschnittsfläche sowohl der p-Typ-Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird und daß die Wärmeleitfähigkeit (KH) des zweiten äußeren Wärmeleiters (KH) innerhalb eines Bereiches von 3-10 W/ºCcm² der Querschnittsfläche sowohl der p-Typ- Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird, wodurch der Wirkungsgrad (COP), defüiiert als das Verhältnis (JQ/P) der absorbierten Wärmemenge bzw. Wärmeleistung JQ zur hineingesteckten Arbeit bzw. Leistung P, mindestens 0,6 beträgt.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wurde auch ein Verfahren zur Herstellung der p-Typ- und n-Typ-Halbleiterschichten in der thermoelektrischen Kühlvorrichtung für einen thermoelektrischen Kühlschrank bzw. eine Kühlapparatur gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung geschaffen, welches Verfahren den Schritt umfaßt:
eine granulare bzw. körnige Keramikmischung für die Halbleiterschichten wird gesintert, während zugleich eine vorbestimmte Spannung über die granulare Keramikmischung angelegt wird, um eine Plasmaentladung zwischen Körnern bzw. Teilchen der granularen Keramikmischung zu erzeugen und um folglich die Oberflächen der Körner zu aktivieren und Oxidablagerungen und adsorbiertes Gas von den Oberflächen der Körner zu beseitigen.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird auch ein thermoelektrischer Kühlschrank bzw. eine Kühlapparatur geschaffen, bei der der erste innere Wärmeleiter und der erste äußere Wärmeleiter auf der Innenseite eines Gehäuses des Kühlschranks bzw. der Kühlapparatur angeordnet ist, der zweite innere Wärmeleiter und der zweite äußere Wärmeleiter auf der Außenseite des Gehäuses des Kühlschranks bzw. der Kühlapparatur angeordnet ist und zumindest der zweite äußere Wärmeleiter mit einem Lüfter versehen ist, um eine Gebläseluftkühlung gegen den zweiten äußeren Wärmeleiter zu bewirken.
Gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die mittlere Gütezahl bzw. Kenngröße (Z) der Halbleiterschlchten und die Wärmeleitfähigkeiten (Kcp, KC, KHP, KH) der einzelnen Wärmeleiter auf bestimmte Bereiche begrenzt, und zwar für die entsprechenden spezifischen Bereiche der Stärke der Halbleiterschichten, wodurch ein Wirkungsgrad, COP, von mindestens 0,6 sichergestellt wird.
Indem, wie vorstehend beschrieben, zumindest ein Wert von 0,6 für den Wirkungsgrad COP sichergestellt wird, ist es möglich, eine thermoelektrische Kühlvorrichtung für eine thermoelektrischen Kühlschrank zu schaffen, der einen mit einem Kompressor arbeitenden elektrischen Kühlschrank ersetzen kann.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung können Halbleiter, die eine große mittlere Gütezahl (Z) aufweisen, mit guter Produktivität bzw. Ausbeute hergestellt werden.
Gemäß dem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann, indem ein Wert von mindestens 0,6 für COP sichergestellt wird, ein thermoelektrischer Kühlschrank als Ersatz für einen mit einem Kompressor arbeitenden elektrischen Kühlschrank geschaffen werden, was Vorteile mit sich bringt, wie beispielsweise den Vorteil, daß der Kühlschrank hinsichtlich seiner Abmessungen, seines Gewichts und seiner Lärmentwicklung verkleinert bzw. verbessert werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich werden, wenn diese gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden, in denen:
Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Kühlschranks darstellt, der Gebrauch von thermoelektrischen Kühlvorrichtungen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung macht;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht von einer der thermoelektrischen Kühlvorrichtungen darstellt;
Fig. 3 eine Ansicht der rechten Seite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung darstellt;
Fig. 4(a) und 4(b)
schematische Darstellungen von Wärmesenken zeigen, die in der thermoelektrischen Kühlvorrichtung einsetzbar sind;
Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Reihe von thermoelektrischen Kühlelementen darstellt, die in der thermoelektrischen Kühlvorrichtung eingesetzt werden;
Fig. 6 eine vergrößerte Perspektivansicht der in Reihe geschalteten thermoelektrischen Kühlelemente darstellt;
Fig. 7 eine Draufsicht eines Wärmeabsorbers darstellt, der in der thermoelektrischen Kühlvorrichtung eingesetzt wird;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht des Wärmeabsorbers darstellt, der in der thermoelektrischen Kühlvorrichtung eingesetzt wird;
Fig. 9 eine vergrößerte Querschnittsansicht zeigt, die den Zustand einer Aluminiumoxidoberfläche darstellt;
Fig. 10 eine vergrößerte Querschnittsansicht darstellt, die den Zustand der Aluminiumoxidoberfläche nach einer die Zwischenräume auffüllenden Behandlung zeigt;
Fig. 11 eine Teilquerschnittsdarstellung zeigt, die einen Montageaufbau für die in Reihe geschalteten thermoelektrischen Kühlelemente zeigt;
Fig. 12 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines konischen Federringes bzw. einer Federscheibe darstellt;
Fig. 13 eine Teilperspektivansicht einer Auflage darstellt;
Fig. 14 ein vereinfachtes Schema einer Plasmasintervorrichtung darstellt;
Fig. 15 ein vereinfachtes Schema einer isostatischen Sintervorrichtung darstellt;
Fig. 16 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 17 eine Perspektivansicht von stäbchenförmigen Rippen bzw. Kühlrippen darstellt, die bei der thermoelektrischen Kühlvorrichtung der zweiten Ausführungsform verwendet werden;
Fig. 18 eine Perspektivansicht von Wärmeleitrohrrippen darstellt, die bei einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungs forrn der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 19 eine Perspektivansicht von Kühlrippen zeigt, die bei einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 20 ein Kennliniendiagramm ist, das die Wärmeübergangskoeffizienten (luftseitige Wärmeleitfähigkeiten) als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit (Wind von vorne) der in Fig. 19 gezeigten Rippen zeigt;
Fig. 21 ein Kennliniendiagramm ist, das die Wärmewiderstände als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit (Wind bzw. Luftströmung von vorne) der in Fig. 19 gezeigten Rippen zeigt;
Fig. 22 eine Querschnittsansicht einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 23 eine Ansicht der linken Seite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung der fünften Ausführungsform darstellt;
Fig. 24 eine schematische Darstellung eines vereinfachten Modells für eine thermoelektrische Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 25 ein Kennliniendiagramm ist, das eine simulierte Temperaturverteilung im Vergleich mit einer tatsächlich gemessenen Temperaturverteilung darstellt;
Fig. 26 eine schematische Darstellung eines vereinfachten Modells für eine weitere thermoelektrische Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 27 ein Kennliniendiagramm von KC, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 28 ein Kennliniendiagramm von KH, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 29 ein Kennliniendiagramm von KCP, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 30 ein Kennliniendiagramm von KHP, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 31 ein weiteres Kennliniendiagramm von KC, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 32 ein weiteres Kennliniendiagramm von KH, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 33 ein weiteres Kennliniendiagramm von KCP, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 34 ein weiteres Kennliniendiagramm von KHP, aufgetragen gegen COP, darstellt;
Fig. 35 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht einer herkömmlichen thermoelektrischen Kühlvorrichtung darstellt; und
Fig. 36 ein Kennliniendiagramm ist, das COPS von verschiedenen Kühlvorrichtungstemperaturen als Funktion der Temperaturdifferenz darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Bei Verwendung eines thermoelektrischen Kühlelementes ist es bisher üblich gewesen, eine thermische Berechnung unter der Annahme vorzunehmen, daß die Temperatur der kalten Kontaktstelle T&sub0; bzw. die Temperatur der warmen Kontaktstelle TL eines in dem thermoelektrischen Kühlelement verwendeten Halbleiters gleich gewissen bzw. bestimmten Temperaturen wird. In Realität werden jedoch T&sub0; und TL entsprechend den Betriebsbedingungen für die Wärmeleiter bestimmt, welche außerhalb der kalten Kontaktstelle bzw. der warmen Kontaktstelle angeordnet sind, und entsprechend dem thermoelektrischen Kühlelement. Wie vorstehend beschrieben wurde, war die herkömmliche thermische Berechnung deshalb ungeeignet.
Auf Grundlage der Differentialgleichung für die Wärmeleitung, die von Ogawa et. al. abgeleitet und im August 1992 [Journal of Japanese Society of Electronic Information and Communication, C-11, 375-C-11(8), 416-424, August 1992] berichtet wurde, wurde eine Untersuchung für ein eindimensionales Modell vorgenommen, bei dem, wie in Fig. 24 gezeigt, Wärmeleiter auf gegenüberliegenden Enden eines thermoelektrischen Kühlelementes aufgeklebt waren und bei dem unter Ausnutzung des Peltiereffektes Wärme von der linken Seite aufgenommen wurde und Arbeit zum Betreiben des thermoelektrischen Kühlelementes zugeführt wurde und die aufgenommene Wärme abgeleitet wurde, und zwar beide zur rechten Seite, wie in der Zeichnung dargestellt. Die Querschnittsfläche des thermoelektrischen Kühlelementes wurde als Einheits- Querschnittsfläche (1 cm²) verwendet und die jeweiligen Wärmeleiter wiesen Wärmeleitfähigkeiten (Kc auf der Wärmeaufnahmeseite, KH auf der Wärmeabgabeseite) pro Einheits-Querschnittsfläche des Halbleiters auf.
Unter der Annahme, daß die Temperaturen an den jeweiligen Positionen entlang der x- Achse in der Zeichung wie folgt lauten:
TC bei x = -LC,
T&sub0; bei x = 0,
TL bei x = L, und
TH bei x = LM.
ist die Wärmeleitungsformel in einem Gleichgewichtszustand gegeben durch:
κ(d²T/dx²) = J [d(αTx)/dx] - J2/
- dκ /dx dT/dx (1)
und der Wärmefluß JQ (x) ist gegeben durch:
JQ (x) = αJT - κ(dT/dx) (2)
wobei
κ: Wärmeleitfähigkeit (W/cm K)
α: Seebeck-Koeffizient (V/K) (negativ für einen n-Typ, aber positiv für einen p-Typ)
: Leitfähigkeit (S/cm)
J: Stromdichte (A/cm²) (negativ für einen n-Typ)
T: Temperatur (K)
x: Abstand von der Position 0 (cm)
kB: Bolzmann-Konstante
q: elektrische Ladung
Es sei weiterhin angenommen, daß in Formel (1)
αT = -(βT+ EF/q ) (3)
(β = 2 kB/ q ;EF: Fermienergie) und daß κ und Konstanten sind; die Formel (1) kann auf die folgende lineare Differentialgleichung umgeformt werden:
κ(d²T/dx²) = βJ&sub0;dT/dx - J&sub0;²/ J&sub0; = -J (4)
Die allgemeine Lösung der Gleichung (4) kann durch die folgende Formel
T = κ/(β² ) + J&sub0;x/(β ) - C&sub1;κ /(βJ&sub0;)
+ c&sub2;exp (βJ&sub0;x/κ) (5)
wobei
C&sub1;,C&sub2;: Integrationskonstanten smd.
Auf der anderen Seite kann die Formel (2) wie folgt wiedergegeben werden:
JQ (x) = -α J&sub0;T - κJ&sub0;/(β ) - C&sub2;β J&sub0;exp (βJ&sub0;x/κ) (6)
Für einen passiven Wärmeleiterabschnitt können die folgenden Formeln abgeleitet werden:
κ (d²T/dx²) = 0 (7)
JQ (x) = -κ(dT/dx) (8)
Man erhält die folgenden allgemeinen Lösungen:
T = C&sub3;x + C&sub4; (9)
JQ (x) = -κC&sub3; (10)
C&sub3;, C&sub4; = Integrationskonstanten.
Randbedingungen werden dann eingeführt.
Es sei angenommen, daß κ = κC, wenn -LC≤x≤0,
T = (T&sub0; - TC)x/LC + T&sub0; (11)
JQ (0) = KC(TC - T&sub0;)/LC (12)
Es sei angenommen, das κ = κH, wenn L≤x≤LH,
T = {(TH - TL)x - THL + TLLH}/(LH-L) (13)
JQ (L) = KH(TL - TH)/(LH - L) (14)
Wenn 0≤x≤L,
T&sub0; = κ/(β² ) - C&sub1;κ(βJ&sub0;) + C&sub2; (15)
TL = κ/(β² ) + J&sub0;L/(β ) - C&sub1;κ/(βJ&sub0;)
+ C&sub2;exp (βJ&sub0;L/κ) (16)
JQ (0) = -(αT&sub0; + κ/(β ) + C&sub2;β) x J&sub0;
Wärmepumpleistung (17)
JQ (L) = -J&sub0; {αTφL + κ/(β )
+ C&sub2;βexp (βJOL/κ)} (18)
Aus den Formeln (15) und (16) folgt,
C&sub2; = B{TL - T&sub0; - J&sub0;φL/(β )}
C&sub1; = βJQκ(κ/β² + C² - T&sub0;) (19)
B = 1/{exp (βJ&sub0;L/κ) - 1}
Es sei nun angenommen, daß
F&sub0; = (-α + Bβ )J&sub0; + κC/LC
G&sub0; = κCTC(LC + J&sub0;{κ/(β ) - BJ&sub0;L/ }
FL= {-α - β(1 + B)}J&sub0; - κH/LH - L
GL = -κHTH/(LH - L)
+ J&sub0; {κ/(β ) - J&sub0;L(1 + B)/ } (20)
Die Temperaturen an den gegenüberliegenden Enden des thermoelektrischen Kühlelementes können wie folgt ausgedrückt werden:
D = FOFL + (βJ&sub0;)²B(1 + B)
T&sub0; = (FLGO + BβJ&sub0;GL)/D
TL = {F&sub0;GL - (1 + B)βJ&sub0;G&sub0;}/D (21)
Die Eingangsleistungsdichte P wird durch die folgende Formel wiedergegeben:
P = J&sub0;²L/ + α Jo(TL - T&sub0;) (22)
Der COP wird wie folgt ausgedrückt:
COP = JQ (0)/P (23)
wodurch verschiedene erforderliche Werte festgelegt werden können.
Es wurde dann überprüft, ob eine gemäß Formel (5) bestimmte Temperatur in Übereinstimmung mit einem tatsächlichen Wert war. Halbleiterchips mit einer Fläche von 3 x 3 mm² und einer Höhe von 10 mm wurden auf einer π(pi)-Form angeordnet und die Stromdichte 3 wurde auf 44,4 A/cm² geregelt. Die Temperatur auf einer Seitenwand des Halbleiters wurde dann mit Hilfe eines nicht berührenden Thermometers, wie beispielsweise einem Infrarotdetektor, gemessen.
Das folgende stellt die Bedingungen, wie beispielsweise physikalische Eigenschaften der verwendeten Halbleiter, dar:
Seebeck-Koeffizient: 205 uV/K
Wärmeleitfähigkeit: 0,0115 W/cmK
spezifische elektrische Leitfähigkeit: 600 S/cm
KC: 0,1 W/ºCcm²
KH: 1 W/ºCcm²
TC: 4,18ºC
TH: 35ºC
Die Ergebnisse des vorstehenden Vergleiches sind schematisch in Fig. 25 gezeigt, in der die durchgezogene Kurve die Temperaturverteilung innerhalb des thermoelektrischen Elementes anzeigt, wie sie gemäß der Formel (5) simuliert wurde, und die Punkte Darstellungen der tatsächlich gemessenen Werte sind. Es wird angestrebt, daß die vorliegende Theorie gut mit den tatsächlich gemessenen Werten übereinstimmt.
Das vorgenannte basiert auf dem Modell, das einen eindimensionalen Wärmefluß vereinfacht hat. In der Tat ist es jedoch praktischer, einen Wärmeleiter beispielsweise in einen äußeren Wärmeleiter, wie beispielsweise Rippen bzw. Kühlrippen, und in einen inneren Wärmeleiter, wie beispielsweise eine Lotschicht, eine Elektrode, eine wärmeleitendes Medium und dergleichen, zu unterteilen. Der Aufbau eines solchen Modelles ist in Fig. 26 dargestellt, in der KC, KH, KCP und KHP die folgenden Bedeutungen haben:
KC,KH: Wärmeleitfähigkeiten von äußeren Wärmeleitem, die auf wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Seiten angeordnet sind. Diese Leitfähigkeiten stellen Leitfähigkeiten pro Einheitsfläche bzw. Einheitsquerschnittsfläche von Halbleitern eines thermoelektrischen Kühlelementes dar. Wo beispielsweise die Leitfähigkeit der ganzen Rippen auf der wärmeaufnehmenden Seite 5 W/ºC beträgt und die gesamte Querschnittsfläche der Halbleiterschichten 2 cm² beträgt, beträgt KC 2,5 (=5/2) W/ºCcm².
KCP, KHP: Die Wärmeleitfähigkeiten der Wärmeleiter einschließlich der gesamten inneren Wärmeleiter, die zwischen dem thermoelektrischen Kühlelement und den jeweiligen äußeren Wärmeleitern angeordnet sind. Diese umfassen beispielsweise (A) Metallote, welche die Halbleiterschichten verbinden, (B) Kupferelektroden, (C) Keramiksubstrate und (D) ein nachfolgend beschriebenes wärmeleitfähiges Medium, wie beispielsweise Silikonfett, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Wenn man ihre Wärmeleitfähigkeiten und Stärken berücksichtigt, genügt es in der Praxis, wenn man nur (C) und (D) für eine tatsächliche Berechnung berücksichtigt, weil (A) und (B) im Vergleich zu (C) und (D) eine deutlich größere Leitfähigkeit aufweisen.
Nachfolgend sind die Wärmeleitfähigkeiten und typischen Stärken dieser inneren Wärmeleiter angegeben:
Weil ein wärmeleitendes Medium, wie beispielsweise ein Silikonfett, zwischen jede Elektrode und ihrem zugeordneten äußeren Wärmeleiter angeordnet ist, ohne daß irgendein Keramiksubstrat bei jeder Ausführungsform der vorliegende Erfindung, die nachfolgend beschrieben wird, verwendet wird, betragen KCP und KHP jeweils bis zu 8- 20 W/ºCcm².
Die erreichte Wirksamkeit eines Kühlsystems ist durch den Leistungskoeffizienten bzw. Wirkungsgrad (COP) gegeben. Dieser COP ist definiert als das Verhältnis der Wärmepumpleistung JQ von einem Kühlabschnitt zur hineingesteckten Leistung P, wie durch die vorstehende Formel (23) [COP = JQ/P] angegeben.
Bei einem herkömmlichen elektrischen Haushaltskühlschrank, der mit einem Kompressor arbeitet und "Flon"-Gas als Kühlmedium verwendet und ein Fassungsvermögen von 90 Litern aufweist, betragen die hineingesteckte Leistung und Wärmepumpleistung 70,5 W bzw. 42,3 W, und zwar im Mittel unter Ernstfallbedingungen im Sommer, wenn die Umgebungstemperatur des Kühlschranks 30ºC beträgt. Der Wirkungsgrad, COP, beträgt deshalb 42,3/70,5 = 0,6. Im Winter, wenn die Umgebungstemperatur des Kühlschranks 15ºC beträgt, ist die Wärmepumpleistung 19,9 W, d.h. weniger als die Hälfte der Wärmepumpleistung im Sommer. Der Kühlschrank erfordert deshalb weniger Eingangsleistung, so daß es ausreichend ist, einen Zielwert von COP = 0,6 oder größer zu wählen - was den Wert für den Sommer darstellt, wenn die Umgebungstemperatur ungünstig ist.
Falls der Wirkungsgrad COP für die thermoelektrische Kühlvorrichtung 0,6 oder größer ist, kann die thermoelektrische Kühlvorrichtung als ein Ersatz-Kühlsystem für einen elektrischen Kompressorkühlschrank eingesetzt werden, welcher "Flon"-Gas verwendet. Dieses Ersatz-Kühlsystem bietet die Vorteile, daß die Verwendung von "Flon" nicht länger notwendig wird und daß ein Kühlschrank mit kleineren Abmessungen, Gewicht, Lärmentwicklung und dergleichen geschaffen werden kann.
Um den Wirkungsgrad COP auf 0,6 oder mehr zu erhöhen, haben die benannten Erfinder zahlreiche Wege untersucht. Als Ergebnis hat man herausgefunden, daß der Wirkungsgrad erheblich durch die folgenden Parameter beeinflußt wird:
(1) die mittlere Gütezahl der p-Typ- und n-Typ-Halbleiter, Z,
(2) die mittlere Stärke der Halbleiter, t,
(3) die Wärmeleitfähigkeit des ersten inneren Wärmeleiters auf der wärmeaufnehmenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KCP,
(4) die Wärmeleitfähigkeit des ersten äußeren Wärmeleiters auf der wärmeaufnehmenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KC,
(5) die Wärmeleitfähigkeit des zweiten inneren Wärmeleiters auf der wärmeaufnehmenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KHP, und
(6) die Wärmeleitfähigkeit des zweiten äußeren Wärmeleiters auf der wärmeaufnehmenden Seite pro Quadratzentimeter der Querschnittsfläche der Halbleiter, KH.
Von diesen Parametern wird zunächst die mittlere Gütezahl Z beschrieben werden. Die mittlere Gütezahl bzw. Kenngröße Z (figure of merit) von heutzutage in großen Mengen hergestellten Halbleitern beträgt 2,5 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) oder weniger. Als zur Herstellung eines Halbleiters geeignete Verfahren, die eine mittlere Gütezahl Z besitzen, die größer ist als die durchschnittlichen Gütezahlen von augenblicklich verfügbaren Halbleitern, kommen Plasmasintern, isostatisches Pressen und Zonenschmelzen in Betracht. Eine Herstellung mit einem dieser Verfahren macht es möglich, einen Halbleiter zu schaffen, der eine mittlere Gütezahl Z von mindestens 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) aufweist, beispielsweise von 2,7 x 10&supmin;³ bis 3,5 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹). Mit diesem Verfahren hergestellte Halbleiter können für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Spezielle Fabrikationsbeispiele solcher Halbleiter werden nachfolgend ausführlich beschrieben werden.
Bezüglich der mittleren Stärke t werden Halbleiter in Anbetracht von Z, KCP, KC, KHP und KH in zwei Gruppen unterteilt, wobei die eine Gruppe die Gruppe dünner Halbleiter darstellt, die eine Stärke t von 0,08 cm oder mehr aufweisen, beispielsweise von 0,08 bis 0,15 cm, und die andere die Gruppe die Gruppe extrem dünner Halbleiter darstellt, die eine Stärke t von weniger als 0,08 cm, beispielsweise von mindestens 0,03 cm, aber weniger als 0,08 cm aufweisen. In der erstgenannten Gruppe stellt der obere Grenzwert der Stärke t, d.h. 0,15 cm, kein absolutes Erfordernis dar, aber Stärken von mehr als 0,15 cm führen zu größeren Herstellungskosten und werden folglich nicht bevorzugt. Auf der anderen Seite ist auch in der letztgenannten Gruppe der untere Grenzwert der Stärke, d.h. 0,03 cm, kein absolutes Erfordernis, aber Stärken unterhalb des unteren Grenzwertes neigen dazu, bei der Herstellung oder Handhabung der resultierenden Halbleiter zu zerbrechen und/oder kaputt zu gehen, so daß unnötig kleine Stärken nicht bevorzugt werden.
Diese KCP und KHP können jeweils kontrolliert werden, beispielsweise durch Anpassung des Materials, der Stärke oder dergleichen von einem oder mehreren Teilen, die zwischen dem Halbleiterelement und dem entsprechenden äußeren Wärmeleiter angeordnet sind, beispielsweise der zuvor genannten Lotschicht, der Elektrode, dem Keramiksubstrat, dem Silikonfett und dergleichen.
Auf der anderen Seite können der KC und KH jeweils kontrolliert werden, beispielsweise durch Anpassung des Materials, der Form und der Wärmeübertragungsfläche des entsprechenden äußeren Wärmeleiters, nämlich den entsprechenden wärmeaufnehmenden oder wärmeabgebenden Kühlrippen und/oder der Luftmenge, die von dem entsprechenden Lüfter angeblasen wird, und/oder durch Verwendung von Wärmeleitrohren.
Fig. 27 gibt schematisch die Beziehung zwischen KC und COP wieder, wenn die Werte Z = 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹), KH = 3 (W/ºCcm²), KCP = 8 (W/ºCcm²) und KHP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,08 cm, die gestrichelte Linie t = 0,10 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,15 cm.
In dem Experiment wurde die innere Temperatur TC bzw. die äußere Temperatur TN des Kühlschranks auf 0ºC bzw. 30ºC eingestellt. Das Experiment wurde deshalb unter extremen Bedingungen vorgenommen, nämlich daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Kühlschranks 30ºC beträgt. Diese Temperaturbedingungen treffen auch auf die nachfolgend beschriebenen Experimente zu.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, benötigt man einen KH von 3 W/ºCcm² oder größer, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Sogar wenn KC auf 10 W/ºCcm² oder größer erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KC führt zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb liegt KC im Bereich von 3-10 W/ºCcm², vorzugsweise im Bereich von 5-10 W/ºCcm².
Fig. 28 gibt schematisch die Beziehung zwischen KH und COP wieder, wenn die Werte Z = 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) KC = 3 (W/ºCcm²), KCP = 8 (W/ºCcm²) und KHP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,08 cm, die gestrichelte Linie t = 0,10 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,15 cm.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird KH von 3 W/ºCcm² oder größer benötigt, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Selbst wenn KH auf 10 W/ºCcm² oder mehr erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KH führt zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb wird ein KH im Bereich von 3 - 10 W/ºCcm² gewählt, vorzugsweise im Bereich von 5 - 10 W/ºCcm².
Fig. 29 gibt schematisch die Beziehung zwischen KCP und COP wieder, wenn die Werte Z = 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹), KC = 3 (W/ºCcm²), KH = 9 (W/ºCcm²) und KHP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,08 cm, die gestrichelte Linie t = 0,10 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,15 cm.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird KCP von 8 W/ºCcm² oder größer benötigt, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Selbst wenn KCP auf 20 W/ºCcm² oder mehr erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KHP fülut zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb wird ein KHP im Bereich von 8 - 20 W/ºCcm² gewählt, vorzugsweise im Bereich von 10 - 20 W/ºCcm².
Fig. 30 gibt schematisch die Beziehung zwischen KHP und COP wieder, wenn die Werte Z = 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹), KC = 3 (W/ºCcm²), KH = 9 (W/ºCcm²) und KCP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,08 cm, die gestrichelte Linie t = 0,10 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,15 cm.
Wie aus dem Diagramm ersichdich ist, wird KHP von 8 W/ºCcm² oder größer benötigt, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Selbst wenn KHP auf 20 W/ºCcm² oder mehr erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KHP führt zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb wird ein KHP im Bereich von 8 - 20 W/ºCcm² gewählt, vorzugsweise im Bereich von 10 - 20 W/ºCcm².
Fig. 31 gibt schematisch die Beziehung zwischen KC und COP wieder, wenn die Werte Z = 3,0 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹), KH = 7 W/ºCcm²), KCP = 8 (W/ºCcm²) und KHP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,03 cm, die gestrichelte Linie t = 0,05 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,07 cm.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird KC von 7 W/ºCcm² oder größer benötigt, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Selbst wenn KC auf 10 W/ºCcm² oder mehr erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KC führt zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb wird ein KC im Bereich von 7 - 10 W/ºCcm² gewählt, vorzugsweise im Bereich von 5 - 10 W/ºCcm².
Fig. 32 gibt schematisch die Beziehung zwischen KH und COP wieder, wenn die Werte Z = 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) KC = 7 (W/ºCcm²), KCP = 8 (W/ºCcm²) und KHP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,03 cm, die gestrichelte Linie t = 0,05 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,07 cm.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird KH von 7 W/ºCcm² oder größer benötigt, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Selbst wenn KH auf 10 W/ºCcm² oder mehr erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KH führt zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb wird ein KH im Bereich von 7 - 10 W/ºCcm² gewählt, vorzugsweise im Bereich von 5 - 10 W/ºCcm².
Fig. 33 gibt schematisch die Beziehung zwischen KCP und COP wieder, wenn die Werte Z = 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹), Kc = 7 (W/ºCcm²), KH = 7 (W/ºCcm²) und KHP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,03 cm, die gestrichelte Linie t = 0,05 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,07 cm.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird KCP von 8 W/ºCcm² oder größer benötigt, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Selbst wenn KCP auf 20 W/ºCcm² oder mehr erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KCP führt zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb wird ein KCP im Bereich von 8 - 20 W/ºCcm² gewählt, vorzugsweise im Bereich von 10 - 20 W/ºCcm².
Fig. 34 gibt schematisch die Beziehung zwischen KHP und COP wieder, wenn die Werte Z = 3,0 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹), KC = 7 (W/ºCcm²), KH = 7 (W/ºCcm²) und KCP = 8 (W/ºCcm²) gewählt werden. In dem Diagramm entspricht die durchgezogene Linie t = 0,03 cm, die gestrichelte Linie t = 0,05 cm und die abwechselnd mit langen und kurzen Strichen versehene Linie t = 0,07 cm.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, wird KHP von 8 W/ºCcm² oder größer benötigt, um einen COP von 0,6 oder größer zu erhalten. Selbst wenn KHP auf 20 W/ºCcm² oder mehr erhöht wird, besteht kein wesentlicher zusätzlicher Vorteil, aber ein so unnötig großer KHP führt zu höheren Fabrikationskosten. Deshalb wird ein KHP im Bereich von 8 - 20 W/ºCcm² gewählt, vorzugsweise im Bereich von 10 - 20 W/ºCcm².
Wenn man die Fig. 27 bis 34 gemeinsam betrachtet, ist es möglich, die Situation in zwei Fälle zu unterteilen, nämlich in einen Fall, in dem relativ dünne Halbleiterelemente verwendet werden, die ein Stärke t von 0,08 cm oder größer aufweisen (siehe Fig. 27 bis 30), und in den Fall, daß extrem dünne Halbleiterelemente verwendet werden, die eine Stärke t von weniger als 0,08 cm aufweisen (siehe Fig. 31 bis 34).
Wenn Halbleiterelemente (t ≥ 0,08 cm) verwendet werden, kann eine thermoelektrische Kühlvorrichtung mit einem COP von 0,6 oder größer bei günstigen Herstellungskosten hergestellt werden, indem man dafür sorgt, daß Z mindestens bis auf 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) eingehalten wird, KC und KH im Bereich von 3 - 20 W/ºCcm² und KCP und KHP im Bereich von 8 - 20 W/ºCcm² liegen.
Wenn auf der anderen Seite Halbleiterelemente (t < 0,08 cm) verwendet werden, kann eine thermoelektrische Kühlvorrichtung mit einem COP von 0,6 oder größer mit niedrigen Herstellungskosten hergestellt werden, indem man dafür sorgt, daß Z mindestens bis auf 3,0 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) eingehalten wird, KC und KH im Bereich von 7 - 10 W/ºCcm² und KCP und KHP im Bereich von 8 - 20 W/ºCcm² liegen. Man hat auch durch andere Experimente herausgefunden, daß es, wenn solche extrem dünnen Halbleiterelemente verwendet werden, es ein Z-Wert von weniger als 3,0 x 10&supmin;³ schwierig macht, einen COP von 0,6 oder größer zu erreichen, und zwar angesichts der Ausbeute und der Herstellungskosten, sogar dann, wenn KC, KH, KCP und KHP vergrößert werden.
Die benannten Erfinder haben auf verschiedenen Wegen Untersuchungen vorgenommen, um ein Verfahren zur Erhöhung der Werte von KCP und KHP auf 8 - 20 W/ºCcm² zu finden. Als Ergebnis hat man herausgefunden, daß solche großen KCP und KHP-Werte zur Zufriedenheit erreicht werden können, indem man, wie nachfolgend beschrieben werden wird, ein gut wärmeleitendes Fett verwendet und indem man jede Elektrode über eine Schicht aus diesem Fett mit ihrem entsprechenden äußeren Wärmeleiter thermisch verbindet, ohne daß man ein isolierendes Aluminiumoxidsubstrat (KCP, KHP: etwa 3,3 W/ºCcm² bei der normalen Stärke von 0,635 mm) verwendet, im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren.
Die benannten Erfinder haben auch auf verschiedenen Wegen Untersuchungen vorgenommen, um ein Verfahren zur Erhöhung der Werte von KC und KH auf 3 - 10 W/ºCcm² zu finden. Als Folge hat man herausgefunden, daß solche großen KC- und KH- Werte zur Zufriedenheit erhalten werden können, indem man die äußeren Wärmeleiter aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, herstellt, indem man bezüglich Kühlrippen, die eine ausreichende Wärmeübertragungsfläche besitzen, mit Hilfe eines Lüfters eine angetriebene Luftkonvektion bewirkt und/oder indem man einen Lüfter in Kombination mit Wärmeleitröhren verwendet, die effizient Wärme übertragen.
Gewisse spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden als nächstes unter Bezugnahme auf die entsprechenden Zeichnungen beschrieben.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 der thermoelektrische Kühlschrank beschrieben werden, der von den thermoelektrischen Kühlvorrichtungen gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der thermoelektrische Kühlschrank mit einem Gehäuse 1 versehen, das aus einem wärmeisolierenden Material, wie beispielsweise Urethankunststoff, hergestellt ist und mit einer Tür 2 versehen ist, die aus einem ähnlich wärmeisolierenden Material besteht und in einer Seitenwand des Gehäuses 1 angeordnet ist, damit diese geöffnet werden kann. In einem Teil einer oberen Rückwand des Gehäuses 1 werden die thermoelektrischen Kühlvorrichtungen aufgenommen, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betreffen und mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet werden.
Jede thermoelektrische Kühlvorrichtung 3 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, im wesentlichen aus einem Wärmeabsorber 4, Wärmesenken 6, einer Reihe bzw. Reihenschaltung von thermoelektrischen Kühlelementen 5, die zwischen dem Wärmeabsorber 4 und den Wärmesenken 6 angeordnet sind, einer Auflage 20 und einem Lüfter 19 aufgebaut.
Der Wärmeabsorber 4 besteht aus Aluminium und ist auf seinen gegenüberliegenden Seiten mit Flanschabschnitten 21 versehen, um mit der Seitenwand des Gehäuses 1 eine große Kontaktfläche auszubilden. Ein trapezförmiger Abschnitt 22 ist mittig ausgebildet, um darauf die Montage der thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 zu erlauben. Um eine Wiederkehr eines Wärmeflusses von den Wärmesenken 6 durch Konvektion und/oder Wärmestrahlung zu minimieren, besitzt der Wärmeabsorber 4 eine vorbestimmte Höhe H, so daß sich der nachfolgend beschriebene Flanschabschnitt 27 der Wärmesenken 6 in einem Abstand zu den Flanschabschnitten 21 angeordnet ist.
Wie in Fig. 7 und 8 dargestellt, legt eine Seite jedes Flanschabschnittes 21, welche eine Seite auf einer Seite gegenüberliegend zu derjenigen ist, die dem Inneren des Kühlschranks zugewandt ist, eine Anzahl von schmalen Rillen 23 mit V-förmigem Profil längs der Länge des Flanschabschnittes 21 und von adhäsiv haltenden Rillen 24 mit U- förmigem Profil außerhalb der schmalen Rillen 23 fest.
In dem trapezförmigen Abschnitt 22 sind drei Senklöcher 25 und drei Elementmontagebohrungen 26 paarweise in vorbestimmten Abständen längs der Länge des trapezförmigen Abschnittes 22 ausgebildet.
Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Flanschabschnitte 27 auch auf gegenüberliegenden Seiten der Wärmesenken 6 angeordnet. Jeder Flanschabschnitt 27 gibt auch eine Anzahl enger Rillen mit einem V-förmigen Profil sowie adhäsiv haltenden Rillen mit einem U- förmigen Profil (beide nicht dargestellt) vor. Viele Lamellen 29 sind unter rechten Winkeln auf einer Seite jedes Flanschabschnittes 27 angeordnet, wobei sich eine Seite auf der Seite des Lüfters 19 befmdet.
Die Lamellen 29 wurden, wie in Fig. 4(b) gezeigt, ausgebildet, indem man ein in einer vorgewählten Form ausgestanztes Metallblech in einem Zickzackmuster biegt. Um sicherzustellen, daß zwischen jeder Lamelle und ihren benachbarten Lamellen ein Zwischenraum aufrechterhalten wird, sind Abstandshalterabschnitte 29A integral ausgebildet, wie in Fig. 4(a) dargestellt.
Die thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 sind, wie in den Fig. 5 und 6 abgebildet, aus wärmeaufseitigen Elektroden 8, die in vorbestimmten Abständen angeordnet sind, aus p-Typ-Halbleiterschichten 10 und n-Typ-Halbleiterschichten 11, die beispielsweise in der Form von Blöcken oder Schichten (dünne Schichten oder dicke Schichten) auf den Elektroden ausgebildet sind, und aus wärmeabgabeseitigen Elektroden 12 aufgebaut, welche die p-Typ-Halbleiterschichten 10 und die n-Typ-Halbleiterschichten 11 miteinander verbinden. Die zahlreichen p-Typ-Halbleiterschichten 10 und n-Typ-Halbleiterschichten 11 sind parallel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet, wie in Fig. 6 gezeigt.
Wie vorstehend beschrieben wurde, werden bei der ersten Ausführungsform keine isolierenden Substrate, wie beispielsweise solche, die aus Aluminiumoxidkeramiken bestehen, verwendet und die wärmeaufnahmeseitigen Elektroden 8 liegen auf einer Seite frei und die wärmeabgabeseitigen Elektroden 12 liegen auf der anderen Seite frei.
Gut wärmeleitfähige Silikonfettschichten 17, 17 sind zwischen den einzelnen thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 und dem Wärmeabsorber 4 bzw. zwischen den einzelnen thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 und den Wärmesenken 6 ausgebildet, wie in Fig. 5 gezeigt.
Das Silikonfett der Silikonfettschichten 17 kann zweckmäßig ein Silikonfett darstellen, das auf der Grundlage von Öl und mit nicht mehr als 50 Gew.-% eines feinen Zusatzstoffes hergestellt ist, der aus feinen Teilchen (durchschnittliche Teilchengröße: 10 um oder weniger) einer anorganischen Verbindung, wie beispielsweise Silizium(IV)-Oxid, Alumniumoxid oder Zinkoxid, oder aus einem Metall, wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Aluminium, besteht. Die Wärmeleitfähigkeit von jeder Silikonfettschicht 17, in der ein Zusatzstoff fein verteilt und in einer großen Konzentration enthalten ist, beträgt bis zu 6,0 x 10&supmin;³ cal/cm sec ºC oder mehr und ist um eine Größenordnung oder mehr größer als im Vergleich zum Wert von 3 x 10&supmin;&sup4; cal/cm sec ºC für gewöhnliches Silikonfett. Die Silikonfettschichten 17 behalten über einen weiten Temperaturbereich von -55ºC bis 200ºC eine gute Elastizität und ein gutes Klebeverhalten bei.
Eine extrem dünne, elektrisch isolierende Schicht 18 aus Aluminiumoxid ist auf mindestens einer Seite jedes Wärmeabsorbers 4 und jeder Seite der Wärmesenken 6 ausgebildet, wobei die genannte eme Seite den thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 zugewandt ist.
Aluminiumoxid wird im allgemeinen durch Eloxieren oder dergleichen ausgebildet. Wie in Fig. 9 dargestellt, sind zahlreiche Sacklöcher bzw. Zwischenräume 30 ausgebildet, die sich von einer Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht (Aluminiumoxidschicht) zu deren Innenseite erstrecken. Obwohl die isolierende Eigenschaft der elektrisch isolierenden Schicht 18 nicht nennenswert herabgesetzt wird, sogar nachdem die Sackbohrungen in großer Zahl gebildet wurden, ist das Vorhandensein der Sackbohrungen 30 praktisch äquivalent zur Ausbildung einer Luftschicht zwischen dem Wärmeabsorber 4 (bzw. wärmeabgebenden Kühlrippen 6) und den thermoelektrischen Kühlelementreihen 5, so daß der Wärmewiderstand extrem groß wird und die Wärmeleitfähigkeit gering ist.
Um dieses Problem zu lösen, läßt man bei dieser Ausführungsform eine Dichtungsmasse 31, wie beispielsweise Nickelacetat, in die Sackbohrungen 30 eintreten, so daß die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird. Vorzugsweise sollten die Sackbohrungen 30 vollständig von der Dichtungsmasse 31 ausgefüllt werden. Das Eindringen der Dichtungsmasse 31 in die Sackbohrungen 30, auch wenn es nur in einem gewissen Umfang erfolgt, kann die Luftschicht erheblich reduzieren, so daß man Verbesserungen hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit beobachten kann.
Darüber hinaus stellt die Ausbildung der Schicht aus der Dichtungsmasse 31 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 18 (Aluminiumoxidschicht), wie in Fig. 10 gezeigt, einen engen Kontakt mit der Silikonfettschicht 17 sicher, so daß die Wärmeleitfähigkeit weiter verbessert wird.
Vom Standpunkt der elektrischen Isolation reichen als Stärke für die elektrisch isolierende Schicht 18 (Aluminiumoxidschicht) 3 - 20 um aus.
Wenn für den Wärmeabsorber 4 und die Wärmesenken 6 Kupfer verwendet wird, ist es nur erforderlich, zwischen dem Wärmeabsorber 4 und jeder der Wärmesenken 6 eine elektrisch isolierende Schicht 18 auszubilden, die feine Teilchen aus einer anorganischen Verbindung, wie beispielsweise Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder Chromoxid, enthält und eine Stärke von bis zu 10 - 50 um oder vergleichbar aufweist.
Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt diese Ausführungsform zwei thermoelektrische Kühlelementreihen 5, die in einem vorbestimmten Abstand längs der Länge der thermoelektrischen Kühlvorrichtung angeordnet sind. Wie in Fig. 11 gezeigt, ist jede der thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 zwischen dem Wärmeabsorber 4 und den Wärmesenken 6 angeordnet und wird durch Anziehen einer Schraube 32 und des konischen Federrings 33 gehalten, die von der Seite des Senklochs 25 des Wärmeabsorbers 4 eingeführt werden. Bei der ersten Ausführungsform wird eine Schraube, die aus Polyamid hergestellt ist, der Glasfasern mit einem Anteil von 50 Gew.-% enthält, als Befestigungsschraube 32 verwendet, während ein konischer Federring aus Edelstahl als konischer Federring 33 verwendet wird. Mit Hilfe dieses konischen Federrings 33 und der zwischen dem Wärmeabsorber 4 und den thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 bzw. zwischen den Wärmesenken 6 und den thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 angeordneten Silikonfettschichten 17 werden die thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 nachgiebig zwischen dem Wärmeabsorber 4 und den Wärmesenken 6 gehalten.
Nachdem bei der ersten Ausführungsform jede Befestigungsschraube 32 angezogen wurde, wird jeder hohle bzw. nicht ausgefüllte Abschnitt des entsprechenden Senkloches mit einem gut wärmeleitfähigen Silikonfett 34 von gleicher Beschaffenheit ausgefüllt, wie es für die Silikonfettschichten 17 verwendet wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird jede zwischen dem Wärmeabsorber 4 und den Wärmesenken 6 gehaltene thermoelektrische Elementreihe 5 umfangsseitig mit Hilfe einer Dichtungsmassenschicht 35 gas- und flüssigkeitsdicht abgeschlossen. Brauchbare Beispiele für die Dichtungsmasse für die Dichtungsmassenschicht 35 sind beispielsweise Epoxidharze, Vinylharze, Amidharze, Fluorcarbonharze, Silikonharze und Gummimassen. Bei der ersten Ausführungsform wird ein Epoxidharz verwendet, der 20 - 65 Gew.-% (vorzugsweise 30 - 60 Gew.-%) kleiner Glashohlkugeln bzw. Glasperlen enthält, die gleichförmig darin verteilt sind. Diese feinen Glashohlkugeln besitzen einen Durchmesser von 20 - 130 um, eine Wandstärke von 0,5 - 2 um und eine mittlere spezifische Dichte von 0,1 - 0,4. Das Epoxidharz, das die feinen Glashohlkugeln enthält, besitzt eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von 1 x 10&supmin;&sup4; 10&supmin;³ cal/cm sec ºC.
Zwischen den Flanschabschnitten 21 des Wärmeabsobers 4 und den Flanschabschnitten 27 der Wärmesenken 6 ist die Auflage bzw. Halterung 20 angeordnet, und zwar so, daß sich die Länge ihrer Randwandung 37 zwischen den Flanschabschnitten 21 und den Flanschabschnitten 27 erstreckt, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Auflage 20 besitzt eine Honigwabenstruklur, wie in Fig. 13 gezeigt, und besteht aus einem Material, das praktisch keine Elastizität aufweist, mit anderen Worten, eine große Steifigkeit und eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise ein wasserabweisend behandeltes Papier bzw. Pappmaterial, ein Kunstharz, eine Keramik, ein Metall, das für eine geringe Wärmeleitfähigkeit ausgelegt ist, ein Hartgummi, wie beispielsweise ein hochfestes Urethan, oder Holz. Insbesondere kann eine aus Papier hergestellte Auflage empfohlen werden, die mit einer wasserabweisenden Substanz, wie beispielsweise Paraffin, Wachs oder Fluorkohlenstofföl, behandelt wurde, weil dieses Papier unelastisch ist, eine ausreichende Steifigkeit und ein geringes Gewicht aufweist und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Flanschabschnitte 21 und die Auflage 20 sind integral mit Hilfe einer Klebschicht 36 verbunden und die Flanschabschnitte 27 und die Auflage 20 sind ebenfalls integral mit einer weiteren Klebschicht 36 verbunden. Verwendbare, beispielhafte Klebstoffe für die Klebschichten 36 umfassen Epoxidharze, Vinylharze, Amidharze, Polyesterharze und Gummimaterialien. Bei dieser Ausfünrungsform wird ein Epoxidharz verwendet.
Die Ausbildung von vielen engen Rillen in den Flanschabschnitten 21, 27, wie vorstehend beschrieben, erleichtert das Verstreichen des Klebstoffes, so daß der Klebstoff in ausreichender Menge an den Haftbereichen gehalten werden kaun. Die feste Verbindung zwischen der Auflage 20 und den Flanschabschnitten 21, 27 wird deshalb gewährleistet.
Wegen der Honigwabenstruktur legt die Auflage 20 viele unabhängige Hohlkammern fest. Weil die Auflage 20 zwischen den Flanschabschnitten 21 und den Flanschabschnitten 27 angeordnet ist, wie vorstehend beschrieben wurde, wird von den Hohlkammern 38 eine Anzahl von unabhängigen Luftschichten 39 ausgebildet, wie in Fig. 2 dargestellt.
Bei dieser Gelegenheit sei angemerkt, daß unter dem Begriff "Honigwabenstruktur", wie er hierin benutzt wird, außer Strukturen, die in Draufsicht, wie in Fig. 13 dargestellt, hexagonale Hohlkammern 38 aufweisen, auch solche Strukturen gemeint sind, die viele Hohlkammem vorgeben, die beispielsweise eine vieleckige Form aufweisen, wie beispielsweise eine dreieckige, rechteckige oder pentagonale Form, oder eine gewünschte Form, wie beispielsweise eine kreisförmige oder ovale Form, wenn sie in Draufsicht betrachtet werden, wobei die Hohlkammem aufgrund von Randwandungen, die integral miteinander verbunden sind, unabhängig voneinander sind. Diese Honigwabenstruktur kann insbesondere deshalb empfohlen werden, weil sie zugleich für eine große Steifigkeit sorgt und die vielen unabhängigen Hohlkammern 38 (Luftschichten 39) bereithält.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist diese Auflage 20 auf der Außenseite der Dichtungsmassenschicht 35 auf den gegenüberliegenden Seiten der thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 befestigt, so daß die thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 mechanisch geschützt werden können.
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der p-Typ-Schichten und n-Typ-Schichten in der thermoelektrischen Kühlvorrichtung für einen thermoelektrischen Kühlschrank beschrieben. Ein Beispiel für das Verfahren ist ein plasmaaktiviertes Sinterverfahren. Bei diesem Verfahren wird eine Spannung direkt über eine zu bildende granulare bzw. körnige Keramikmischung angelegt. Auf diese Weise wird zwischen den Teilchen der körnigen Keramikmischung eine Plasmaentladung erzeugt, so daß Oberflächen der Teilchen aktiviert werden. Als Folge werden Oxidablagerungen und adsorbierte Gase von den Oberflächen der Teilchen elimmiert. Eine Sinterung kann deshalb in kurzer Zeit unter geringem Druck bewirkt werden.
Anhand von Fig. 14 wird die Plasmasintervorrichtung beschrieben werden. In der Kammer 40 wird eine zu sinternde granulare Keramikmischung 42 innerhalb eines Sinterdruckstempels 41 plaziert. Die granulare Keramikmischung 42 wird zwischen einem oberen Stempel 43 und einem unteren Stempel 44 gehalten, gefolgt vom vertikalen Anlegen eines vorbestimmten Drucks mit Hilfe einer Presse 45.
Ein gepulster Strom wird von einem Sinternetzteil 48 über eine obere Stempelelektrode 46, die mit dem oberen Stempel 43 verbunden ist, und einer unteren Stempelelektrode 47, die mit dem unteren Stempel 44 verbunden ist, zugeführt. Die Sinterung erfolgt, während zugleich eine Plasmaentladung zwischen den Teilchen der granularen Keramikmischung 42 erzeugt wird.
Bei dieser Gelegenheit kann die Sinterpulvermischung 42, die einer provisorischen Druckbeaufschlagung unterzogen worden ist, innerhalb des Sinterdruckstempels gemeinsam mit Metallelektroden, beispielsweise dünnen Metallblechen oder darauf überlagerten pulverförmigen Metallschichten, plaziert werden. Dies macht es möglich, gleichzeitig mit der Sinterung eines Halbleiters Metallelektroden integral auszubilden.
Die Presse 45 und das Sinternetzteil 48 sind mit einer Steuereinheit 49 verbunden, die den Druck und den an die Sinterpulvermischung 42 anzulegenden gepulsten Strom überwacht. Diese Steuereinheit 49 ist ihrerseits mit Positionssensoren 50, einem Atmosphärensteuersystem 51, einem Wasserkühlsystem 52, Temperatursensoren 53 etc. verbunden.
Wenn als Sinterpulvermischung 42 beispielsweise (Bi Sb)&sub2;(Te Se)&sub3; verwendet wird, ist es für die Sinterbedingungen beispielsweise angemessen, eine Argonatmosphäre von reduziertem Druck, einen Sinterdruck von 250 kg/cm² und eine Sintertemperatur von 250 - 400ºC zu wählen.
Als ein weiteres Herstellungsverfahren zur Herstellung eines für die vorliegende Erfindung verwendbaren Halbleiters kann auch ein isostatisches Pressen angeführt werden. Wie in Fig. 15 dargestellt, wird eine granulare Keramikmischung 80 für den Halbleiter in eine biegsame Form 81 eingefüllt, die aus Gummi oder dergleichen besteht. Die Form 81 mit der granularen Keramikmischung 80 darin wird in ein Druckmedium 82 eines Druckbehälters eingebracht. Der Druckbehälter besteht aus einem Zylinder 83, einem unteren Deckel 84 und einem oberen Deckel 85. Der Druckbehälter ist mit dem Druckmedium 82 gefüllt, das beispielsweise aus einer Mischung aus Polypropylenglykol und Wasser besteht. Mit Hilfe des Druckmediums 82 wird die granulare Keramikmischung 80 isotrop und isostatisch druckgeformt. Bei dem Verfahren, das Gebrauch von dem Druckmedium 82 macht, handelt es sich um ein feuchtes Verfahren. Ein trockenes Verfahren kann ebenfalls angewendet werden, bei welchem Verfahren eine granulare Keramikmischung in eine biegsame Form eingefüllt wird und die Form mit der granularen Keramikmischung darin zur isotropen und isostatischen Kompression in einem Druckbehälter angeordnet wird.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 16 und 17 die thermoelektrische Kühlvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben werden.
Wie in Fig. 16 gezeigt, sind wärmeaufnahmeseitige Kühlrippen 62, die aus zahlreichen stift- bzw. zapfenförmigen Rippen 61 gebildet sind, die auf einer Grundplatte 60 angeordnet sind, auf einer Seite (der oberen Seite) jeder thermoelektrischen Kühlelementreihe 5 aufgeklebt. Auf die andere Seite (die untere Seite) der thermoelektrischen Kühlelementreihen 5 sind wärmeabgabeseitige Rippen 63 geklebt, die aus zahlreichen stiftförmigen Kühlrippen 61 gebildet sind, die auf einer Grundplatte 60 angeordnet sind. Jede thermoelektrische Kühlelementreihe 5 besitzt den gleichen Aufbau wie bei der ersten Ausführungsform. Silikonfett (nicht gezeigt), ähnlich zu dem zuvor angeführten, ist zwischen jeder thermoelektrischen Kühlelementreihe 5 und ihrer zugeordneten Grundplatte 60 angeordnet.
Die wärmeaufnahmeseitigen Kühlrippen 62 sind in einem wärmeaufnahmeseitigen Rohr 64A eingeschlossen, so daß Luft axial zu den wärmeaufnahmeseitigen Kühlrippen 62 angeblasen werden kann. Auf der anderen Seite sind die wärmeabgabeseitigen Kühlrippen 63 in einem wärmeabgabeseitigen Rohr 64B eingeschlossen, so daß Luft, die um die wärmeabgabeseitigen Kühlrippen 62 vorhanden ist, mit Hilfe eines wärmeabgabeseitigen Lüfters 65B abgesaugt werden kann.
Verwendbare Beispiele für stiftförmige Kühlrippen 61 schließen solche ein, die einen Stift- bzw. Zapfendurchmesser von 0,3 - 05 mm, einen Stiftabstand von 0,9 - 2,5 mm und eine Stifthöhe von 5 - 20 mm aufweisen. Durch Wahl und Kombination dieser Parameter kann eine gewünschte Wärmeübertragungsfläche erhalten werden.
Fig. 18 stellt die bei der thermoelektrischen Kühlvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendeten Kühlrippen dar. Bei dieser Ausführungsform sind Wärmeleitröhren 66 mit kleinem Durchmesser in Form von Schlaufen auf einer Grundplatte 60 angeordnet. Wärme wird rasch durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums (beispielsweise eine flüchtige Flüssigkeit, wie beispielsweise Alkohol), das in die Wärmeleitröhren 66 eingefüllt ist, rasch übertragen. Wenn diese Wärmeleitröhren 66 verwendet werden, beträgt der Wärmewiderstand 0,8ºC/W oder weniger, wenn die Kühlluftgeschwindigkeit und die Eingangsleistung 2 m/s bzw. 50 W betragen.
Fig. 19 zeigt die Kühlrippen, die bei der thermoelektrischen Kühlvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform sind bogen- und streifenförmige Rippen 67 in vorbestimmten Abständen in mehreren Reihen auf einer Grundplatte 60 angeordnet.
In den Fig. 18 und 19 gibt der Pfeil X die Luftzuführrichtung an. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 19 sind die einzelnen streifenförmigen Rippen 67 in einer Reihe und in der Luftzuführichtung X angeordnet. Die einzelnen streifenförmigen Rippen 67 können jedoch auch in einem Zickzackmuster in der Luftzuführrichtung X angeordnet sein.
Fig. 20 zeigt das Kennliniendiagramm, das die luftseitigen Wärmeleitfähigkeiten als Funktion der Anströmgeschwindigkeit (Wind von vorne) der in Fig. 19 gezeigten Rippen darstellt, während Fig. 21 das Kennliniendiagramm darstellt, das die Wärmewiderstände als Funktion der Anblasgeschwindigkeit (Wind von vorne) der gleichen Rippen darstellt. Man erkennt, daß die Rippen exzellente Wärmeübertragungseigenschaften besitzen.
Die thermoelektrische Kühlvorrichtung gemäß der fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nachfolgend anhand der Fig. 22 und 23 beschrieben werden. Wie in Fig. 22 dargestellt, ist eine thermoelektrische Kühlvorrichtung 3 über eine Fettschicht (nicht gezeigt) auf einem ebenen Wärmeaufnahmeabschnitt 70 von Wärmeleitröhren angebracht. Verdampferseitige Röhren 71a und kondensorseitige Röhren 71b der Wärmeleitröhren sind mit dem Wärmeaufnahmeabschnitt 70 verbunden. Entgegengesetzte Enden der Röhren 71a, 71b sind mit einem angeströmten Wärmeableitabschnitt 72 der Wärmeleitröhren verbunden, welcher Wärmeableitabschnitt 72 in einer geneigten Stellung angeordnet ist. Die Wärmeleitröhren beinhalten innenseitig ein Geflecht und sind beispielsweise mit einem flüchtigen Arbeitsmedium, wie beispielsweise Alkohol, gefüllt. Durch wiederholte Verdampfüng und Kondensation des Arbeitsmediums können die Wärmeleitröhren von der thermoelektrischen Kühlvorrichtung 3 Wärme aufnehmen und diese ableiten.
Der Wärmeaufnahmeabschnitt 70, der Wärmeabgabeabschnitt 72 und dergleichen sind innerhalb einer Röhre 73 eingeschlossen. Ein Kühllüfter 74 ist in einem unteren Teil der Röhre 73 angeordnet, so daß Luft in der durch den Pfeil X angegebenen Richtung zugeführt wird. Bei dieser Gelegenheit: Bezugszeichen 75, bezeichnet einen Innenlüfter, der Luft in Richtung der Wärmeaufnahmeseite der thermoelektrischen Kühlvorrichtung 3 bläst.
Der Einsatz von flexiblen Wärmeleitröhren ermöglicht es, Beschleunigungen und Vibrationen zu verringern, die an die thermoelektrische Kühlvorrichtung angreifen.

Claims

1. Thermoelektrische Kühlvorrichtung für einen thermoelektrischen Kühlschrank bzw. Kühlapparatur, welche Vorrichtung besteht aus:

einer Anzahl von p-Typ-Halbleiterschichten (10) und von n-Typ-Halbleiterschichten (11), die Seite an Seite angeordnet sind,

einem ersten inneren Wärmeleiter (KCP; 17), der wärmeaufnahmeseitige Elektroden (8) aufweist, die außerhalb von wärmeaufnahmeseitigen Enden der p-Typ- und n-Typ-Halbleiterschichten (10, 11) angeordnet sind,

einem ersten äußeren Wärmeleiter (KC; 4), der außerhalb des ersten inneren Wärmeleiters (KCP; 17) angeordnet ist,

einem zweiten inneren Wärmeleiter (KHP; 17), der wärmeabgabeseitige Elektroden (12) aufweist, die außerhalb von wärmeabgabeseitigen Enden der p-Typ- und n- Typ-Halbleiterschichten (10, 11) angeordnet sind, und

einem zweiten äußeren Wärmeleiter (KH; 6), der außerhalb des zweiten inneren Wärmeleiters (KHP; 17) angeordnet ist,

wobei die p-Typ-Halbleiterschichten (10) und die n-Typ-Halbleiterschichten (11) alternierend elektrisch leitend in Reihe geschaltet sind, so daß sich eine p-Typ-Schicht mit einer n-Typ-Schicht abwechselt, und zwar über die wärmeaufnahmeseitigen Elektroden (8) und die wärmeabgabeseitigen Elektroden (12),

dadurch gekennzeichnet, daß die p-Typ-Halbleiterschichten (10) und die n-Typ- Halbleiterschichten (11) eine mittlere Stärke (t) von mindestens 0,08 cm aufweisen und daß die mittleren Gütezahlen bzw. Kenngrößen (Z) der p-Typ-Halbleiterschichten (10) und n-Typ-Halbleiterschichten (11) bis auf mindestens 2,7 x 10&supmin;³ (K&supmin;¹) eingehalten werden, daß die Wärmeleitfähigkeit (KCP) des ersten inneren Wärmeleiters (KCP; 17) innerhalb eines Bereiches von 8-20 W/ºCcm² der Querschnittsflächen sowohl der p-Typ- Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird, daß die Wärmeleitfähigkeit (KC) des ersten äußeren Wärmeleiters (KC; 4) innerhalb eines Bereiches von 3-10 W/ºCcm² der Fläche sowohl der p-Typ-Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird, daß die Wärmeleitfähigkeit (KHP) des zweiten inneren Wärmeleiters (KHP; 17) innerhalb eines Bereiches von 8-20 W/ºCcm² der Querschnittsfläche sowohl der p-Typ-Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird und daß die Wärmeleitfähigkeit (KH) des zweiten äußeren Wärmeleiters (KH; 6) innerhalb eines Bereiches von 3-10 W/ºCcm² der Querschnittsfläche sowohl der p-Typ-Halbleiterschichten als auch der n-Typ-Halbleiterschichten eingehalten wird, wodurch der Wirkungsgrad (COP), definiert als das Verhältnis (JQ/P) der absorbierten Wärmemenge JQ zur hineingesteckten Arbeit P, mindestens 0,6 beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die p-Typ-Halbleiterschichten (10) und die n-Typ-Halbleiterschichten (11) eine mittlere Stärke (t) von 0,08 bis 0,15 cm aufweisen und die mittlere Gütezahl bzw. Kenngröße (Z) der p-Typ-Halbleiter und der n-Typ- Halbleiter innerhalb eines Bereiches von 2,7 x 10&supmin;³ bis 3,5 x 10&supmin;³ K&supmin;¹ eingehalten wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die ersten und zweiten inneren Wärmeleiter (KCP, KHP; 17, 17) im wesentlichen aus zusatzstoffhaltigen Silikonfettschichten ausgebildet sind, die zwischen den wärmeaufnahmeseitigen bzw. wärmeabgabeseitigen Elektroden (8, 12) und den ersten bzw. zweiten äußeren Wärmeleitern (KC, KH; 4, 6) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die ersten und zweiten inneren Wärmeleiter (KCP, KHP; 17, 17) im wesentlichen aus zusatzstoffhaltigen Silikonfettschichten ausgebildet sind, die zwischen den wärmeaufnahmeseitigen bzw. wärmeabgabeseitigen Elektroden (8, 12) und den ersten bzw. zweiten äußeren Wärmeleitern (KC, KH; 4, 6) angeordnet sind; und bei der die ersten und zweiten äußeren Wärmeleiter (KC, KH; 4, 6) jeweils mit einer dünnen elektrischen Isolationsschicht (18) versehen sind, die jeweils auf deren der zugeordneten Silkonfettschicht zugewandten Oberfläche ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die ersten und zweiten äußeren Wärmeleiter (KC, KH; 4, 6) mit Kühlrippen (6; 62, 63; 66) und Lüftern (19; 65A, 65B; 74, 75) versehen sind, um eine Gebläseluftkühlung gegen die Kühlrippen zu bewirken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Kühlrippen Wärmeleitrohrrippen (66) darstellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der zweite äußere Wärmeleiter (KH; 6) aus Wärmeleitrohren (66) ausgebildet ist und ein Lüfter ausgelegt ist, um eine Gebläseluftkühlung gegen Wärmeabgabeabschnitte der Wärmeleitrohre zu bewirken.

8. Verfahren zur Herstellung der p-Typ- und n-Typ-Halbleiterschichten in der thermoelektrischen Kühlvorrichtung für einen thermoelektrischen Kühlschrank bzw. Kühlapparatur nach Anspruch 1, welches Verfahren den Schritt umfaßt:

eine granulare bzw. körnige Keramikmischung für die Halbleiterschichten wird gesintert, während zugleich eine vorbestimmte Spannung über die granulare Keramikmischung angelegt wird, um eine Plasmaentladung zwischen Körnern bzw. Teilchen der granularen Keramikmischung zu erzeugen und um folglich die Oberflächen der Körner zu aktivieren und Oxidablagerungen und adsorbiertes Gas von den Oberflächen der Körner zu beseitigen.

9. Thermoelektrischer Kühlschrank bzw. Kühlapparatur, der bzw. die eine thermoelektrische Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 umfaßt, wobei der erste innere Wärmeleiter (KCP; 17) und der erste äußere Wärmeleiter (KC; 4) innerhalb eines Gehäuses (1) des Kühlschranks bzw. der Kühlapparatur angeordnet ist, der zweite innere Wärmeleiter (KHP; 17) und der zweite äußere Wärmeleiter (KH; 6) außerhalb des Gehäuses (1) des Kühlschranks bzw. der Kühlapparatur angeordnet ist und zumindest der zweite äußere Wärmeleiter (KH; 6) mit einem Lüfter (19) versehen ist, um eine Gebläseluftkühlung gegen den zweiten äußeren Wärmeleiter zu bewirken.