DE1080690B - Kuehlvorrichtung fuer eine innerhalb eines Gehaeuses untergebrachte temperaturempfindliche Kristallanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für eine innerhalb eines Gehäuses untergebrachte temperaturempfindliche Kristallanordnung, bei der die Abführung der Wärme unter Ausnutzung des Peltiereffekts durch einen 'bzw. mehrere thermoelektrische Leiter erfolgt. Beispiele für Kristallanordnungen dieser Art sind Gleichrichter und Transistoren, bei denen jeweils kristalline Körper aus einem Halbleitermaterial verwendet werden, in denen während des normalen Betriebs Wärme erzeugt wird. Wenn diese Wärme nicht abgeführt wird, übt sie eine erhebliche schädigende Wirkung auf die Betriebseigenschaften dieser Einrichtungen aus und setzt deren Wirkungsgrad weitgehend herab. Die Empfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen ist bei diesen Kristallanordnungen sehr groß, und sie müssen innerhalb genau festgelegter, relativ niedriger Maximaltemperaturen betrieben werden, wenn sie funktionsfähig bleiben sollen.

Nach einem älteren, nicht vorveröffentlichten Vorschlag hat man bereits zur Abführung der Betriebswärme bei solchen Kristallanordnungen den Kristall innerhalb eines geschlossenen Gehäuses untergebracht. Das Gehäuse mit dem darin mit Wandberührung angeordneten Halbleiter wird durch eine an einer Außenseite des Gehäuses angebrachte thermoelektrische Wärmepumpe gekühlt. Die Wärmepumpe wird dabei mit dem durch den Kristall fließenden Strom betrieben.

An sich ist die elektrothermische Kälteerzeugung schon vorbekannt. So hat man bereits eine Kühlkammer beschrieben, bei der die erforderlichen thermoelektrischen Aggregate so ausgebildet und angeordnet sind, daß die kalten Lötstellen innerhalb der Kammer, die warmen Lötstellen dagegen außerhalb der Kühlkammer mit einem weiteren thermoelektrischen Element verbunden sind, welches beheizt und gekühlt wird, um den für die Wärmepumpe benötigten elektrischen Strom zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirkungsvolle und den jeweiligen Verhältnissen leicht anpaßbare Kühlvorrichtung für eine innerhalb eines Gehäuses untergebrachte temperaturempfindliche Kristallanordnung zu schaffen, bei der die Abführung der Wärme unter Ausnutzung des bekannten Peltiereffekts durch einen oder mehrere thermoelektrische Leiter erfolgt.

Die Erfindung besteht darin, daß der bzw. die thermoelektrischen Leiter innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und mit ihrem kalten Bereich mit der zu kühlendien Kristallanordnung und mit ihrem warmen Bereich mit dem die Wärme abführenden Gehäuse in thermischem Kontakt stehen. Dadurch, daß die kalte Lötstelle der Wärmepumpe die Wärme von dem zu küh-Kühlvorrichtung
für eine innerhalb eines Gehäuses

untergebrachte
temperaturempfindliche Kristallanordnung

Anmelder:

ίο Minnesota Mining and Manufacturing

Company,
St. Paul, Minn. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls
und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,
Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Dezember 1956

Robert Washbum Fritts, Elm Grove, Wis. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

!enden Kristall, mit dem sie zu diesem Zeweck nicht in direkter körperlicher Berührung zu stehen braucht, aufnimmt und das Gehäuse zum Abführen oder Abstrahlen der durch die Pumpe geförderten Wärme benutzt wird, wird eine ausgezeichnete Kühlwirkung erzielt. Vorteilhafterweise steht der kalte Bereich des bzw, der thermoelektrischen Leiter bei Transistoren wenigstens mit dem Kollektor und bei Gleichrichtern wenigstens mit der die Sperrschicht aufweisenden Zone des Kristallelements in thermischem Kontakt, so daß die Wärme direkt und überwiegend von den Stellen des Kristalls a'bgepumpt wird, an denen sie in erster Linie entsteht. Von besonderem Vorteil kann es sein, wenn eine gesonderte Stromquelle vorgesehen ist, welche den bzw. die thermoelektrischen Leiter unabhängig von dem durch die Kristallanordnung fließenden Strom — vorzugsweise einstellbar veränderlich — mit Strom versorgt. Bei dieser Ausführungsform ist die Kühlwirkung unabhängig von dem durch die Kristallanordnung fließenden Strom. Damit läßt sich die Kühlwirkung aber leicht jeweils den günstigsten Bedingungen anpassen, ohne dabei die Betriebsverhältnisse der Kristallanordnung zu beeinflussen. Zu diesem Zweck kann das die Wärme abführende Gehäuse aus wenigstens zwei Teilen 'bestehen, welche einerseits über den bzw.. die im Gehäuse angeordneten thermo-

009 507/333

elektrischen Leiter, andererseits über eine außenliegende Stromquelle elektrisch miteinander in Verbindung stehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen thermoelektrisch gekühlten Transistor;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen thermoelektrisch gekühlten Gleichrichter;

Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung von einer weiteren Ausbildungsform eines thermoelektrisch gekühlten Transistors;

Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen thermoelektrisch gekühlten Gleichrichter mit Punktkontakt;

Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausbildungsform eines thermoelektrisch gekühlten Gleichrichters.

In Fig. 1 ist eine elektrische Einrichtung 10 veranschaulicht, die einen Transistor 11 mit einem Kristall oder Plättchen 12 aus einem Halbleitermaterial umfaßt; dieser Kristall kann z. B. aus Germanium, Silizium od. dgl. mit n- oder p-Leitung bestehen, doch wird Germanium mit η-Leitung bevorzugt. Der Kristall 12 ist mit einer Emitterflächenelektrode 13 und einer Kollektorflächenelektrode 14 ausgerüstet. Diese Elektroden 13 und 14 umfassen Gebiete, in denen die Leitfähigkeit derjenigen des n-Halbleiterkristalls 12 entgegengesetzt ist; im vorliegenden Fall bestehen die Elektroden aus einem Material mit p-Leitung und sind von dem Kristall 12 in bekannter Weise durch pn-Übergänge getrennt. Eine Basiselektrode 15 ist mit dem Kristall 12 leitend verbunden, und ein Abschlußstück 16 ist mit der Emitterelektrode 13 ebenfalls leitend verbunden, z. B. durch einen Film aus einem niedrigschmelzenden Lot. Die elektrischen Verbindungen zu der Basiselektrode und der Emitterelektrode werden durch Leitungen 17 und 18 hergestellt, die mit der Basiselektrode 15 bzw. dem Anschlußstück 16 durch Punktschweißung oder auf andere geeignete Weise verbunden sein können.

Der Transistor 11 ist mit einer Hülle versehen, die vorzugsweise als Mantel aus Metall mit guter Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme hergestellt ist; die Hülle umfaßt ein becherförmiges Gehäuseteil 19, einen isolierten Kontakt 26, der als Wärmestrahler ausgebildet ist, sowie einen Deckel 20, der mit dem Gehäuseteil 19 leitend verbunden ist und öffnungen aufweist, durch welche die Elektroden 17 und 18 isoliert nach außen geführt sind. Wie unten noch näher erläutert, sind Mittel vorgesehen, um die Elektrode 14 mit dem Gehäuseteil 19 und somit auch mit dem Deckel 20 zusammenzuschalten; mit dem Deckel 20 ist eine Kollektorelektrodenleitung 21 leitend verbunden.

Für den Leistungsbetrieb gebaute Halblekereinrichtungen hängen bezüglich ihrer Betriebsfähigkeit von den elektrischen Eigenschaften der pn-Übergänge ab, die ihrerseits mit der Temperatur variieren. Dabei wird insbesondere die Temperatur des pn-Übergangs an der Kollektorelektrode während des normalen Betriebs der Einrichtung durch Energieverluste erheblich gesteigert. Da die elektrischen Eigenschaften der pn-Übergänge bei einer Steigerung ihrer Temperatur leicht beeinträchtigt werden, ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, um Wärme aus dem Transistor 11 über die Kollektorelektrode 14 abzuführen; diese Elektrode ist dem pn-übergang, d. h. derjenigen Stelle, an welcher der größte Teil der Wärme erzeugt wird und von der sich diese Wärme wirksam abführen läßt, am nächsten benachbart.

Die Kühlvorrichtung zum Abführen von Wärme aus dem Transistor 11 ist als thermoelektrische Wärmepumpe 22 ausgebildet. Sie weist halbmetallische Thermoelemente 23 und 24 auf, welche mit einem Brückenleiter 25 aus Kupfer oder einem anderen, Elektrizität und Wärme gut leitenden Material verbunden sind, um Thermoübergänge 57 und 58 zu bilden. Der Leiter 25 ist mit der Kollektorelektrode 14 innig verbunden, z. B. durch einen Film aus einem niedrigschmelzenden Lot, um eine elektrisch und thermisch gut leitende Verbindung herzustellen. Das äußere Ende des Thermoelements 24 ist vorzugsweise mit dem Gehäuseteil 19 verbunden, um eine Lötstelle 59 zu bilden. Ein elektrischer Stromkreis zwischen der Kollektorelektrode 14 und der Zuleitung 21 der Kollektorelektrode wird durch den Leiter 25, das Thermoelement 24, das Gehäuseteil 19 und den Deckel 20 gebildet. Das Thermoelement 23 ist vorzugsweise mit dem Wärme abstrahlenden Kontaktstück 26 verbunden, um eine Lötstelle 56 zu bilden. Das Bauteil 26 kann mit Rippen versehen sein, durch welche die Wärmeübergangsfläche vergrößert wird. Ferner kann es eine Anschlußfahne 27 tragen, an welche die Leitung 28 einer Gleichstromquelle angeschlossen ist. Die andere Seite der Gleichstromquelle ist durch eine Leitung 29 mit der Zuleitung 21 der Kollektorelektrode verbunden, um den Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Wärmepumpe 22 zu vervollständigen. Gegegebenenfalls kann das Gehäuse 19 mit einem geeigneten Isoliermaterial gefüllt sein, z. B. mit einem Harz, das zu einem festen Material erhärtet, ohne Wasser oder andere flüchtige Stoffe abzugeben.

Die Thermoelemente 23 und 24 sollen möglichst aus einem Material bestehen, das einen hohen Peltier-Koeffizienten, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist. Sie können aus halbmetallischem Material bestehen, das sowohl in elektrischer als auch in thermischer Beziehung eine Leitfähigkeit, ähnlich derjenigen eines Halbleiters, aufweist. Wie bei Halbleitern können die aus derartigem Material hergestellten Thermoelemente n- oder p-Leitung aufweisen, wobei beispielsweise durch einen Strom in einem Thermoelement mit n-Leitung Wärme in einer dem Stromdurchfluß entgegengesetzten Richtung gepumpt wird. Derartige Materialien können bei η-Leitung z. B. aus einer Legierung bestehen, die Blei und mindestens einen Stoff aus der Gruppe Tellur, Selen und Schwefel enthält. Das Material der verwendeten Thermoelemente bildet jedoch keinen Teil der vorliegenden Erfindung, so daß darauf nicht näher, eingegangen zu werden braucht.

Während des normalen Betriebs der elektrischen Einrichtung 10 liegen die Basis, der Emitter und der Kollektor über die Leitungen 17, 18 und 21 in einer entsprechenden Schaltung (nicht dargestellt), und wenn der Transistor 11 von einem Strom durchflossen wird, entsteht in dem Transistor Wärme; der größere Teil der erzeugten Wärme erscheint in der Nähe des pn-Übergangs, der der Kollektorelektrode 14 zugeordnet ist. Diese Wärme wird durch Leitung zu dem Leiter 25 übertragen.

Die Energieversorgung der Wärmepumpe 22 erfolgt durch den Strom, der von der positiven Klemme der Gleichstromquelle über die Leitung 28, das Bauteil 26,j£? das Thermoelement 23, den Leiter 25, d^esaeek-fe " et rden eit-e^-ZS-, das Thermoelement 24, das Ge-\ häuseteil 19, den Deckel 20, die Leitung 21 und die Leitung 29 zu der negativen Klemme der Gleichstromquelle zurückfließt. Das Thermoelement 23 kann

η-Leitung und das Thermoelement 24 p-Leitung auf- Die Thermoelemente 23 α und 24a sind mit einem weisen. Dadurch wird erreicht, daß bei der angege- Leiterteil 25 α aus Kupfer oder einem anderen ähnbenen Stromrichtung die in dem Transistor 11 erzeugte liehen Material verbunden, um Lötstellen 57 a bzw. thermische Energie, die durch den Leiter 25 fließt, an 58α zu bilden, und das Glied 25a steht seinerseits in den Lötstellen 57 und 58 absorbiert und gleichzeitig 5 Wärme und Elektrizität gut leitender Verbindung mit an den Lötstellen 56 und 59 emittiert bzw. abgegeben der Zone 14 a des Kristallkörpers 12 a. Die äußeren wird. Die an den Lötstellen 57 und 58 infolge des Enden der Thermoelemente 23 α und 24a sind jeweils Peltiereffekts absorbierte Wärmeenergie wird an die- mit wärmeleitenden Gliedern 26 a bzw, 32 verbunden, sen Lötstellen in elektrische Energie umgewandelt, die um Lötstellen 56 a 'bzw. 59 a zu schaffen. Die Bauteile augenblicklich zu den Lötstellen 56 und 59 überge- 10 26 a und 32 können im Grundriß halbkreisförmig ausführt wird; dort wird diese elektrische Energie in gebildet sein, und sie bestehen vorzugsweise aus einem Wärme zurückverwandelt, die durch die wärmeleiten- Metall, das sowohl den elektrischen Strom als auch den Gehäuseteile 19, 20 und 26 fließt und durch die Wärme gut leitet; die genannten Bauteile bilden genannten Teile durch Strahlung, Konvektion und einen Deckel für ein ,becherförmiges Gehäuseteil 19 a Leitung an hier nicht gezeigte Wärmeabstrahlungsein- 15 aus Metall mit einer Stirnwand 20 α, die in elektrisch richtungen abgegeben wird; bei letzteren kann es sich leitender Berührung mit der von der Zone 14a abgez. B. um ein Chassis od. dgl. handeln, auf dem die wandten Fläche des Kristalls 12a steht, wie es aus Einrichtung 10 angeordnet ist. Fig. 2 ersichtlich ist. Das Gehäuseteil 19 a bildet zu-Die unter Ausnutzung des Peltiereffekts arbeitende sammen mit den Deckelhälften 26 a und 32 eine Hülle, Wärmepumpe 22 ermöglicht eine sehr wirksame Ab- ₂₀ die mit einem dem in Fig. 1 bis 30 angedeuteten führung von Wärme von dem Transistor 11 zu Material ähnelnden Isoliermaterial 30 a gefüllt sein Wärmeabgabemitteln, z.B. zu dem Gehäuse 19 und kann; dieses Material isoliert die Bauteile 26 a und 32 dem Bauteil 26. Die Geschwindigkeit, mit der diese gegenüber dem Gehäuseteil 19 α sowie voneinander. Wärmeabführung erfolgt, ist z.B. erheblich größer Das Glied 25 α kann mit einer Anschlußfahne 33 verals diejenige Geschwindigkeit, die bei einfacher ^₅ sehen sein, die gemäß Fig. 2 durch eine öffnung in Wärmeleitung beim Vorhandensein eines Temperatur- dem Gehäuse 19a isoliert nach außen geführt ist. gradienten erreichbar wäre. Angesichts dieser verbes- Ferner kann das Gehäuseteil 19a mit einem Anschlußserten Wärmeabführung kann man den Transistor 11 stück 21 α versehen sein, daß es zusammen mit der Anmit einer höheren Verlustleistung betreiben, ohne daß schlußfahne 33 ermöglicht, den Gleichrichter 31 in die Gefahr der Überhitzung und einer darauf zurück- g₀ einen äußeren Stromkreis einzuschalten. Die Anzuführenden Schädigung der elektrischen Eigenschaf- schlußfahne 33 kann 2. B. durch eine Leitung 34 mit ten des Transistors gegeben ist. Wenn es nicht erfor- einer Klemme einer Wechselstromquelle verbunden derlich ist, den Transistor als Leistungstransistor zu sein, während das Anschlußstüok 21 α über eine Leibetreiben, bewirkt die Wärmepumpe 22 eine Herab- tung 35 mit einer Klemme einer Last verbunden sein Setzung der Betriebstemperatur des Transistors unter ₃₅ kann. Die andere Klemme der Last kann mittels einer die Temperatur der Umgebung, und diese Kühlung Leitung.36 an die noch freie Klemme der Wechselführt zu einer Verbesserung der Leistung des Tran- stromquelle angeschlossen sein.

sistors. Ferner sind Mittel vorgesehen, um der Wärme-Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß sich pumpe 22 α von einer Gleichströmquelle aus elektrische die Geschwindigkeit der durch den Peltiereffekt er- 40 Energie zuzuführen. Gemäß Fig. 2 ist das Bauteil 26 α möglichten Wärmeabsorption an den Lötstellen 57 mit der positiven Klemme einer Gleichstromquelle und 58 und die Geschwindigkeit der durch den Peltier- über eine Leitung 28a verbunden, während das Baueffekt ermöglichten Wärmeabgabe an den Lötstellen teil 32 mittels einer Leitung 29 α an die negative 56 und 59 nach der Temperatur der betreffenden Lot- Klemme der Gleichstromquelle angeschlossen ist. stellen richtet, wobei die Geschwindigkeitswerte linear 45 Um eine Überhitzung zu verhindern und die Temvon dem durch den Kreis fließenden Strom abhängen. peratur des Körpers 12 a innerhalb verhältnismäßig Der Wärmetransport nach diesem Verfahren wird niedriger maximaler Werte zu halten, wird der durch den Aufwand elektrischer Energie bewirkt, die Wärmepumpe 22 α von der positiven Klemme der der Stromquelle in dem äußeren Stromkreis entnom- Gleichstromquelle aus über eine Leitung 28 a ein men wird. Man wählt den Betriebsstrom in dem _5o Strom zugeführt, der über das Bauteil 26 a, das Wärmepumpkreis natürlich so, daß die Wärmeabsorp- Thermoelement 23 α, das Bauteil 25 a, das Thermotion auf Grund des Peltiereffekts größer ist als die element 24α, das Bauteil 32 und die Leitung 29a zur innerhalb der Wärmepumpe stattfindende Erhitzung negativen Klemme der Gleichstromquelle zurückdurch die Joulesche Wärme. strömt. Wenn die Wärmepumpe 22a in der angege-Fig. 2 veranschaulicht eine elektrische Einrichtung 55 benen Richtung von einem Strom durchflossen wird, 10 a in Form eines Halbleiter-Flächengleichrichters 31 nehmen sie die an dem pn-übergang erzeugte Wärme mit einem Körper oder Kristall 12 a aus einem Halb- über das Leiterglied 25 a auf, verwandeln diese leitermaterial eines bestimmten Leitungstyps, der eine Wärme an den Lötstellen 57 a und 58 a in elektrische Zone 14a aus einem Material mit entgegengesetzter Energie und führen diese Energie augenblicklich den Leitung aufweist, die von dem Körper bzw. Kristall 60 Lötstellen 56α bzw. 59a zu; hier wird die elektrische 12 a durch einen pn-übergang getrennt ist. Wie bei Energie in Wärme zurückverwandelt, die durch die dem beschriebenen Transistor ändern sich die Betriebs- Bauteile 26 a und 32 durch Strahlung, Leitung oder Charakteristiken des Gleichrichters 31 in Abhängigkeit Konvektion abgegeben wird. Weitere Wärme wird von der Temperatur. Um die Temperatur des Gleich- aus dem Körper 12 a durch Wärmeleitung zu dem Gerichters innerhalb vorbestimmter Grenzen zu halten, 65 häuseteill9a abgeführt; das Gehäuseteil gibt diese ist der Gleichrichter 31 mit einer unter Ausnutzung Wärme seinerseits durch Strahlung, Leitung oder des Peltiereffekts arbeitenden Wärmepumpe 22ά aus- Konvektion ab.

gerüstet, die ein halbmetallisches Thermoelement 23 α Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildungsform mit

mit z. B. η-Leitung und ein halbmetallisches Thermo- einem Transistor lic, der in einer Hülle angeordnet

element 24α mit p-Leitung umfassen. 70 ist; diese Hülle umfaßt ein becherförmiges Gehäuse-

22 c zu der negativen Klemme der Stromquelle zurückfließt, wird die von dem Teil 25 c aufgenommene Wärme an den Lötstellen 57 c und 58 c in elektrische Energie umgewandelt, die augenblicklich durch die 5 betreffenden Thermoelemente 23 c und 24 c axial zu der Lötstelle 56 c bzw. radial zu der Lötstelle 59 c abfließt, um an den Lötstellen 56 c und 59 c in Wärme zurückverwandelt zu werden. Die von dem Deckel 20 c aufgenommene Wärme wird sowohl durch den Deckel

Ring dient sowohl als Verstärkung für das Kristallplättchen als auch als Basiselektrode. Eine Basiselektrodenleitung 15 c verbindet den Ring 40 c mit einer

Eine Emitterleitung 16 c verbindet die Emitterelektrode 13c mit einer Emitterelektrodenklemme 18 c.
Die elektrische Einrichtung 10 c besitzt ein becherteil 19 c und einen Deckel 20 c, die beide aus Metall bestehen; der Deckel 20c ist von dem Gehäuseteil 19c durch eine isolierende Dichtung 49 getrennt und an dem Gehäuseteil mittels eines umgebördelten Flansches befestigt. Die Bauteile 19 c und 20 c besitzen vorzugsweise ein gutes elektrisches und thermisches Leitungsvermögen. Der Deckel 20 c trägt einen Befestigungsfortsatz 41 c, und die Einrichtung 10 c wird an einem Chassis 44 c befestigt.

Der Transistor 11 c umfaßt einen plättchenähn- io selbst als auch durch den Fortsatz 41 c und die Mutlichen Kristall und in der oben beschriebenen Weise ter43c durch Strahlung und Konvektion abgegeben; eine Emitterelektrode 13 c und eine Kollektorelektrode weitere Wärme wird über die isolierende Scheibe 45 c 14 c, die durch Gleichrichtersperrschichten vonein- zu dem Chassis 44 c abgeleitet. Die von dem Gehäuseander getrennt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel teil 19 c aufgenommene Wärme wird von diesem durch nach Fig. 3 ist ein Ring 40 c aus Nickel mit dem Kri- 15 Konvektion und Strahlung abgegeben,
stallplättchen 12 c elektrisch leitend verbunden; dieser Fig. 4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungs

beispiel, das einen Spitzenkontaktgleichrichter 31 ti umfaßt, welcher aus einem Körper oder Plättchen aus einem kristallinen Material 12 d, z.B. n-Germanium,

Basiselektrodenklemme 17c, die durch eine öffnung 20 besteht und der eine Kontaktspitze 16d aus einem selin dem Deckel 20 b isoliert nach außen geführt wird. tenen Metall, wie Wolfram, aufweist. Der Gleichrichter 31 d ist in einer abgedichteten Hülle aus einem wärmeleitenden Material angeordnet, die einen rohrförmigen Körper 19d umfaßt, der z. B. aus Glas her-

förmiges Leiterteil 25c aus Metall mit guter elektri- 25 gestellt ist; dieser Körper ist an seinen entgegengescher und thermischer Leitfähigkeit, das gemäß Fig. 3 setzten Enden mit abdichtender Wirkung mit Kappeneinen inneren Aufnahmebehälter für den Transistor teilen 20d und 51 aus Metall verbunden; in diese 11 c bildet. Die Innenfläche der Basis des Bauteils 25 c Kappenteile sind mit abdichtender Wirkung Anschlußist mit der Kollektorelektrode 14 c elektrisch leitend stücke 26 d und 18 d eingesetzt, die durch geeignete verbunden und bildet einen Teil des Kollektorkreises 30 Öffnungen in den Kappenteilen nach außen ragen. Die für den Transistor 11 c. Das becherförmige Teil 25 c Kontaktspitze 16 d des Gleichrichters wird durch das ist im wesentlichen gleichachsig mit den Gehäusetei- innere Ende des Anschluß Stücks 18 if unterstützt und len 19 c und 20 c angeordnet, und zwischen der zylin- steht mit ihm in elektrisch leitender Verbindung. Zwidrischen Seitenwand des Bauteils 25 c und dem Ge- sehen dem inneren Ende des Anschluß Stücks 26 d und häuseteil 19 c ist ein ringförmiges Thermoelement 24 c 35 dem Halbleiterkörper 12 d ist in leitender Verbindung angeordnet, die auf ihrer Innenseite mit der Außen- mit dem Anschlußstück sowie mit dem Halbleiterkörfläche des Bauteils 25 c verbunden sind, um eine ring- per ein Thermoelement 24 d angeordnet, um Lötstelförmige Lötstelle 58c zu bilden; die ringförmige len 59 d und 58d zu bilden. Das Anschlußstück 18d Außenfläche des Thermoelements 24c ist mit der kann mittels einer Leitung 34d mit einer Seite eines Innenfläche des Gehäuseteils 19 c verbunden, um zu- ₄₀ Belastungskreises verbunden sein, während das Ansammen mit diesem eine ringförmige Lötstelle 59 c zu schlußstück 26 d mittels einer Leitung 35 d mit einer bilden. Zwischen der Basis des becherförmigen Bau- Klemme einer Wechselstromquelle verbunden sein teils 25 c und dem Deckel 20c befindet sich das kann. Die andere Klemme der Wechselstromquelle Thermoelement 23 c, das mit dem Bauteil 25 c verbun- und die noch freie Seite des Belastungskreises können den ist, um zusammen mit diesem eine Lötstelle 57 c 45 durch eine Leitung 36 d miteinander verbunden sein. zu bilden; ferner ist das Thermoelement 23 c mit dem Während des Betriebs der vorliegenden elektrischen

Deckel 20 c verbunden, um zusammen mit diesem eine Einrichtung 10 d fließt ein elektrischer Strom von der weitere Lötstelle 56 c zu bilden. Wechselstromquelle aus durch die Leitung 35 d, das

Bei der Einrichtung 10 c umfaßt der Kollektorkreis Anschlußstück 26 d, das Thermoelement 24d, den Kridie Kollektorelektrode 14 c, das Leiterteil 25 c, das 50 stall bzw. das Plättchen 12 d, die Kontaktspitze 16 d,

Thermoelement 24 c, das Gehäuseteil 19 c und die an dem Gehäuseteil 19 c befestigte Kollektorklemme 21 c. Die die Thermoelemente 23 c und 24 c sowie das Bauteil 25 c umfassende Wärmepumpe 22 c wird von einer

das Anschlußstück 18 d, die Leitung 34 d, den Belastungskreis und die Leitung 36 d. An dem in bekannter Weise erzeugten pn-Übergang des Gleichrichters 31 d wird während des Betriebs ständig Wärme er-

Gleichstromquelle aus Strom zugeführt; zu diesem 55 zeugt. Wenn der einseitig gerichtete Strom in der Zweck verbindet eine Leitung 28 c den Deckel 20 c mit angegebenen Richtung durch das Thermoelement hinder positiven Klemme der Gleichstromquelle, während
eine Leitung 29 c die Kollektorklemme 21 c mit der

negativen Klemme der Gleichstromquelle verbindet.

durchfließt, wird die aus dem Kristallkörper 12 d stammende Wärme an der Lötstelle 58 d in elektrische Energie umgewandelt, die augenblicklich durch den

In die Leitung 29 c kann ein veränderbarer Wider- 60 Thermoelementkörper 24 ei zu der Lötstelle 59 d abgestand 50 eingeschaltet sein, so daß man die Stärke des leitet wird. An der Lötstelle 59 d wird diese elekder Wärmepumpe 22 c zugeführten Gleichstroms und irische Energie in Wärme zurückverwandelt, die von somit auch die durch diese in der Zeiteinheit gepumpte dem Anschlußstück 26 d aufgenommen und durch Wärmemenge einstellen kann. dieses zu dem Kappenteil 2Od sowie der Hülle 19 α!

Während des normalen Betriebs der Einrichtung 65 weitergeleitet wird, um von den genannten Teilen 10c wird Wärme innerhalb des Transistors lic durch Leitung, Konvektion oder Strahlung abgegeben hauptsächlich in der Nähe der Kollektorelektrode 14 c zu werden.

erzeugt, und diese Wärme wird von dem Bauteil 25 c Auf diese Weise wird aus dem Gleichrichter 31 d

aufgenommen. Da ein Strom von der positiven Wärme abgeführt, so daß sich der Gleichrichter ohne Klemme der Gleichstromquelledurch die Wärmepumpe 70 Gefahr einer Überhitzung erheblich höher belasten

läßt. Es sei bemerkt, daß die vorliegende elektrische Einrichtung 10 d nur «ine einzige Stromquelle ibenötigt, da der durch den Gleichrichter 31 d fließende gleichgerichtete Wechselstrom auch zur Energieversorgung der Wärmepumpe 22 d herangezogen wird.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das einen Flächengleichrichter 31 e mit einem Kristall 12 e aus einem Halbleitermaterial umfaßt; der Kristall 12 e besitzt auf seiner einen Seite eine Zone 14 e entgegengesetzter Leitfähigkeit, die von dem eigentlichen Kristall durch eine Gleichrichtersperrschicht getrennt ist. Der Gleichrichter 31 e ist mit einer Hülle versehen, die ein allgemein becherförmiges Gehäuseteil 19 e und einen Deckel 2Oe umfaßt; sowohl das Gehäuseteil als auch der Deckel bestehen aus einem Metall mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Gemäß Fig. 5 wird der Deckel 20 e durch einen sich radial nach innen erstreckenden ringförmigen Flansch 55 des Gehäuseteils, das unter Vermittlung durch einen isolierenden Ring 49 e an dem Deckel angreift, in seiner Lage !gehalten.

Zwischen der Zone 14 e des Kristalls 12 e und dem Deckel 20 e befindet sich ein Thermoelement 23 e, das mit dem Deckel 20 e leitend verbunden ist, um eine Lötstelle 56 e zu bilden, und'das außerdem in leitender Berührung mit der Zone 14 e des Kristalls steht, so daß es hier eine Lötstelle 57 e bildet. Zwischen dem Kristallkörper 12 e und dem Gehäuseteil 19 e ist ein Thermoelement 24 e angeordnet, das mit dem Kristallkörper leitend verbunden ist, um eine Lötstelle 58 e zu bilden; ferner ist dieses Thermoelement leitend mit dem Gehäuseteil 19 e verbunden und bildet zusammen mit diesem eine Lötstelle 59 e. Die Leitfähigkeit des Thermoelements 24e ist derjenigen des größeren Teils des Kristalls 12 e vorzugsweise entgegengesetzt, und es weist z. B. die gleiche p-Leitung wie das halbmetallische Material, aus dem das Thermoelement 24 in Fig. 1 besteht, auf.

An dem Deckel 2Oe ist ein Anschluß stück 54 befestigt, und das Gehäuseteil 19 e trägt ebenfalls ein elektrisches Anschlußstück 21 e, so daß man die Einrichtung 1Oe in einen Stromkreis einschalten kann. Eine Klemme einer Wechselstromquelle kann an die Klemme 21 e mittels einer Leitung 35 e angeschlossen sein, während eine Klemme eines Belastungskreises mit der Klemme 54 durch eine Leitung 34 e verbunden sein kann. Die andere Klemme der Wechselstromquelle sowie die andere Klemme des Belastungskreises sind durch eine Leitung 36 e miteinander verbunden.

Während des Betriebs der vorliegenden elektrischen Einrichtung 1Oe wird in der oben beschriebenen Weise die entstehende Wärme von der Sperrschicht bzw. dem Kristall an die Lötstellen 56 e bzw. 59 e transportiert und von dort abgeleitet.

Ebenso wie die weiter oben beschriebenen Einrichtungen bildet die Konstruktion nach Fig. 5 ein außerordentlich raumsparend aufgebautes Aggregat, das es ermöglicht, aus dem Kristall 12 e auf thermoelektrischem Wege Wärme abzuführen, was bedeutet, daß sich die Einrichtung mit einer höheren Last betreiben läßt, ohne daß die Gefahr einer Überhitzung besteht. Ferner sei bemerkt, daß die Einrichtung nach Fig. 5 ebenso wie diejenige nach Fig. 4 mit nur einer Stromquelle arbeitet, was dadurch ermöglicht wird, daß 'der durch den Gleichrichter 31 e fließende Strom nicht nur zur Speisung des Belastungskreises benutzt wird, sondern auch die Thermoelemente mit Energie versorgt, so daß diese Wärme aus dem Bereich des pn-Übergangs abführen können.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung für eine innerhalb eines Gehäuses untergebrachte temperaturempfindliche Kristallanordnung, beispielsweise einen Gleichrichter oder Transistor, bei der die Abführung der Wärme unter Ausnutzung des Peltiereffekts durch einen bzw. mehrere thermoelektrische Leiter erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die thermoelektrischen Leiter innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und mit ihrem kalten Bereich mit der zu kühlenden Kristallanordnung und mit ihrem warmen Bereich mit dem die Wärme abführenden Gehäuse in thermischem Kontakt stehen.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kalte Bereich des bzw. der thermoelektrischen Leiter bei Transistoren wenigstens mit dem Kollektor und bei Gleichrichtern wenigstens mit der die Sperrschicht aufweisenden Zone des Kristallelements in thermischem Kontakt steht.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesonderte Stromquelle vorgesehen ist, welche den bzw. die thermoelektrischen Leiter unabhängig von dem durch die Kristallanordnung fließenden Strom — vorzugsweise einstellbar veränderlich — mit Strom versorgt.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wärme abführende Gehäuse aus wenigstens zwei Teilen besteht, welche einerseits über den bzw. die im Gehäuse angeordneten thermoelektrischen Leiter, andererseits über eine außenliegende Stromquelle elektrisch miteinander in Verbindung stehen.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die thermoelektrischen Leiter zwei elektrisch in Reihe liegende Leiter mit entgegengesetztem Peltierkoeffizienten aufweisen, die am kalten Ende über eine mit dem zu kühlenden Bereich des Kristalls in Wärmekontakt stehenden Leiterbrücke miteinander und am warmen Ende jeweils mit einem der beiden Gehäuseteile verbunden sind.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbrücke, welche die kalten Enden der thermoelektrischen Leiter verbindet, die Kristallanordnung topfartig umgibt und mit seinem Bodenteil mit der Kristallanordnung in Wärmekontakt steht und daß der eine thermoelektrische Leiter die zylindrische Wand der topfartigen Leiterbrücke mit einem zu dieser konzentrisch angeordneten Gehäuseteil und der andere thermoelektrische Leiter den Boden der topfartigen Leiterbrücke mit dem zweiten Gehäuseteil verbinden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 829 171.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung sind 47 Seiten Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© OOJ507/333