DE1196260B

DE1196260B - Process for the production of a cooling unit consisting of several Peltier elements

Info

Publication number: DE1196260B
Application number: DEA42163A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz-Guenther Plust
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1963-01-24
Filing date: 1963-01-24
Publication date: 1965-07-08

Description

Verfahren zur Herstellung einer aus mehreren Peltier-Elementen bestehenden Kühleinheit Zum Bau elektrothermischer Geräte, bei denen die Wirkung des Peltier-Effektes für Kühlzwecke ausgenutzt wird, ist es vorteilhaft, das Kühlaggregat aus einzelnen Kühleinheiten zusammenzusetzen, wobei jede Einheit mehrere Elementschenkel aufweist. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung solcher elektrothermischer Kühleinheiten.Process for the production of one consisting of several Peltier elements Cooling unit For building electrothermal devices that use the Peltier effect is used for cooling purposes, it is advantageous to make the cooling unit from individual Assemble cooling units, each unit having several element legs. The invention relates to a method for producing such electrothermal mixers Cooling units.

Bei der Herstellung von Kühleinheiten mit mehreren Elementschenkeln ergeben sich besondere Schwierigkeiten daraus, daß die Schenkel elektrisch in Reihe geschaltet sein müssen, damit sich eine geeignete Betriebsspannung ergibt, daß sie thermisch jedoch parallel liegen müssen, um genügend große Flächen für den Wärmeaustausch an den mit den beidseitigen Enden der Schenkel verbundenen Platten zu schaffen. Bei der Verwendung von Halbleitern als thermoelektrische Stoffe müssen dementsprechend jeweils zwei Elementschenkel durch ein metallisches Leiterstück in einem Lötprozeß verbunden werden. Die -Herstellung hat in nachteiliger Weise eine komplizierte und langwierige Arbeitsweise zur Folge. Ferner ist wegen der Sprödigkeit der Elementschenkel das während dem Zusammenbau vorliegende . Gebilde mechanisch anfällig, und schließlich ergibt sich eine erhebliche geometrische Ungenauigkeit der erhaltenen Lötverbindungen. Die genannten Nachteile vergrößern sich beträchtlich mit der Zahl der zu verbindenden Elementschenkel. Das Auswechseln eines Schenkels, das wegen eines z. B. schlechten Kontaktes oder eines Bruches vor dem völligen Zusammenbau der Kühleinheit notwendig sein kann, ist in vielen Fällen-- unmöglich oder mindestens stark erschwert.When manufacturing cooling units with multiple element legs particular difficulties arise from the fact that the legs are electrically in series must be switched so that there is a suitable operating voltage that they thermally, however, must be parallel in order to have sufficiently large surfaces for heat exchange to create on the plates connected to the ends of the legs on both sides. When using semiconductors as thermoelectric substances, accordingly two element legs by a metallic conductor piece in a soldering process get connected. The production has a disadvantageous complicated and lengthy way of working result. Furthermore, because of the brittleness of the element leg the one present during assembly. Structures mechanically vulnerable, and finally the result is a considerable geometric inaccuracy of the soldered connections obtained. The disadvantages mentioned increase considerably with the number of connections to be made Element leg. The replacement of a leg that is due to a z. B. bad Contact or breakage is necessary before the cooling unit is fully assembled can be, is in many cases - impossible or at least very difficult.

Ein weiterer Mangel ergibt sich dann, wenn die eine Seite der Kühleinheit als Kühlfläche ausgebildet werden soll. Eine optimal große Kühlfläche läßt sich mit den bekannten Herstellungsverfahren, bei welchen die Elementschenkel einzeln durch Leiterstücke verbunden werden, nicht erreichen.Another deficiency arises when one side of the cooling unit is to be designed as a cooling surface. An optimally large cooling surface can be with the known manufacturing processes in which the element legs are individually are connected by pieces of ladder, do not reach.

Zur Vermeidung der genannten Nachteile ist es bekannt, auf einer metallischen Kühlfläche- die die Elementschenkel verbindenden metallischen Leiterstücke über eine Zwischenschicht zu befestigen, die elektrisch isoliert, aber die Wärme gut leitet, also beispielsweise über eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxyd. Hierdurch wird erreicht, daß die Elementschenkel gut angelötet werden können und die Kühlfläche ein optimales Ausmaß erreicht. Dagegen hat die bekannte Anordnung andere Nachteile, nämlich einerseits bestehen Schwierigkeiten beim Aufbringen der Zwischenschicht und andererseits treten Alterungserscheinungen in den elektrischen -und thermischen übergängen von der Kühlplatte über die Zwischenschicht auf die metallischen Leiterstücke auf.To avoid the disadvantages mentioned, it is known to use a metallic Cooling surface - the metallic conductor pieces connecting the element legs to attach an intermediate layer that electrically insulates but the heat well conducts, for example via an intermediate layer of aluminum oxide. Through this it is achieved that the element legs can be soldered on well and the cooling surface reached an optimal extent. In contrast, the known arrangement has other disadvantages, namely, on the one hand, there are difficulties in applying the intermediate layer and on the other hand, there are signs of aging in the electrical and thermal transitions from the cooling plate via the intermediate layer to the metallic conductor pieces on.

Es ist ferner bekannt, an die beidseitigen Stirnflächen einer Mehrzahl von Elementschenkeln je eine Metallplatte anzulöten und nach dem Anlöten die beiden Platten durch Anbringen von Schlitzen so zu teilen, daß nur noch eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Elementschenkeln bestehen bleibt, so daß alle Elementschenkel elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dieses Verfahren hat die Nachteile, daß die Elementschenkel bezüglich ihrer Länge eng toleriert sein müssen, da andernfalls beim Auflöten der zweiten Platte schlechte Lötkontakte entstehen, und daß eine Prüfung der eingelöteten Elementschenkel erst möglich ist, wenn die Platten geteilt sind, die Kühleinheit also fertiggestellt ist. Ein Auswechseln eines fehlerhaften Schenkels, beispielsweise auf Grund eines schlechten Kontaktes, ist also auch bei den nach diesem bekannten Verfahren hergestellten Kühleinheiten mindestens stark erschwert.It is also known to have a plurality of end faces on both sides to solder one metal plate each of the element legs and after soldering the two Divide the plates by making slots so that only one electrical Connection between adjacent element legs remains, so that all element legs are electrically connected in series. This method has the disadvantages that the Element legs must be tolerated closely with regard to their length, otherwise when the second plate is soldered on, poor solder contacts arise, and that a test the soldered-in element leg is only possible when the panels are divided, the cooling unit is finished. Replacing a faulty leg, for example due to poor contact, is also with the after this known method made cooling units at least very difficult.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Peltier-Elementen bestehenden Kühleinheit, bei dem die einzelnen Elementschenkel etwa gleicher Abmessungen zunächst alle auf eine Metallplatte gelötet werden, die später zum Herstellen der elektrischen Verbindungen zerteilt wird. Es ist das Ziel der Erfindung, ein solches Verfahren aufzuzeigen, das frei ist von den erwähnten Nachteilen und das gestattet, Kühleinheiten in einer für eine Massen- Produktion geeigneten, technologisch und verfahrensmäßig einfachen WeisLb .ei optimaler Ausbildung der Kühlfläche zu bauen.The invention also relates to a method of making a a cooling unit consisting of several Peltier elements connected electrically in series, in which the individual element legs initially all have approximately the same dimensions a metal plate will be soldered, which will later be used to make the electrical connections is divided. It is the aim of the invention to show such a method, that is free from the disadvantages mentioned and that allows cooling units in one for a mass Production appropriate, technologically and procedurally easy to build white with optimal formation of the cooling surface.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anlöten aller Elementschenkel mit der einen Stirnfläche auf (.'die aus einem Stück bestehende Metallplatte die anderen Stirnflächen von je zwei Elementschenkeln durch Anlöten einzelner metallischer Leiterstüjke verbunden werden, wobei zum Anlöten der Elementschenkel ein Lot verwendet wird, dessen Schmelzpunkt höher liegt als derjenige des zum Anlöten der metallischen Leiterstücke auf die Elementschenkel verwendeten Lotes, und daß anschließend die Metallplatte durch Sägen, Fräsen od. dgl. von Schlitzen so geteilt wird, daß alle Elementschenkel elektrisch in Reihe geschaltet sind.The method is characterized in that after soldering all Element leg with one end face on (. 'The one-piece Metal plate the other end faces of two element legs each by soldering individual metallic conductor pieces are connected, with the element legs being soldered on a solder is used whose melting point is higher than that for soldering of the metallic conductor pieces on the element legs used solder, and that then the metal plate by sawing, milling or the like of slots so divided is that all element legs are electrically connected in series.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail with reference to the drawing.

F i g.1 zeigt eine Kühleinheit während der Herstellung nach dem ersten Verfahrensschritt; in F i g. 2 ist dieselbe Kühleinheit nach einem weiteren Verfahrensschritt gezeigt; F i g. 3 zeigt in Aufsicht die gemäß der Erfindung hergestellte Kühleinheit; F i g. 4 zeigt im Schnitt eine gemäß einem zusätzlichen Verfahrensschritt hergestellte Kühleinheit.Fig. 1 shows a cooling unit during manufacture after the first Process step; in Fig. 2 is the same cooling unit after a further process step shown; F i g. Fig. 3 shows in plan view the cooling unit made according to the invention; F i g. 4 shows in section a one produced according to an additional method step Cooling unit.

In. einem ersten Schritt des Verfahrens gemäß der Erfindung werden auf eine Metallplatte, vorzugsweise eine Kupferplatte, alle Elementschenkel mit der einen Stirnfläche angelötet. In der F i g. 1 ist mit 1 eine ungefähr 1,5 mm dicke Kupferplatte bezeichnet, auf welche vierundzwanzig mit Z bezeichnete zylindrische Elementschenkel aus Halbleitermaterial mittels eines Ultraschall-Lötkolbens gelötet sind, wobei zur gleichmäßigen Anordnung der Elementschenkel das Löten in einer Lehre vorgenommen wird. Die Elementschenkel haben in dem gezeigten Beispiel einen Durchmesser von 10 ,mm und eine Höhe von 10 mm.In. In a first step of the method according to the invention, all element legs are soldered to one end face on a metal plate, preferably a copper plate. In FIG. 1, 1 denotes an approximately 1.5 mm thick copper plate, on which twenty-four cylindrical element legs, denoted by Z, made of semiconductor material are soldered by means of an ultrasonic soldering iron, the soldering being carried out in a jig for the uniform arrangement of the element legs. In the example shown, the element legs have a diameter of 10 mm and a height of 10 mm.

Der zweite Verfahrensschritt besteht darin, je zwei Elementschenkel auf, ;der anderen Stirnseite durch Anlöten eines metallischen Leiterstückes zu verbinden. In der F i g. 2 sind mit 1 wiederum eine Kupferplatte und mit 2 die Elementschenkel bezeichnet. Die ebenfalls mittels eines Ultraschall-Lötkolbens angelöteten metallischen Leiterstücke 3 bestehen vorteilhafterweise aus Kupfer. Mit 4 sind die angelöteten Anschlußklemmen für die Betriebsspannung bezeichnet.The second step consists of two element legs on,; to connect the other end face by soldering a metallic conductor piece. In FIG. 2 are with 1 in turn a copper plate and with 2 the element legs designated. The metallic ones, which are also soldered on using an ultrasonic soldering iron Conductor pieces 3 are advantageously made of copper. With 4 are the soldered Terminals designated for the operating voltage.

Erfindungsgemäß ist zum Anlöten der Elementschenkel auf die Metallplatte ein Lot zu verwenden, dessen Schmelzpunkt höher liegt als derjenige des zum Anlöten der metallischen Leiterstücke auf die Elementschenkel verwendeten Lotes. Auf diese Weise kann die Löteng des zweiten Verfahrensschrittes bei einer niedrigeren Temperatur vorgenommen werden und dadurch ein zu starkes Erwärmen des gesamten Bauteiles und damit ein Aufschmelzen der im ersten Verfahrensschritt hergestellten Lötkontakte vermieden werden. Als Lot für das Anlöten der Elementschenkel auf die Kupferplatte hat sich eine Wismut-Zinn-Legierung im Gewichtsverhältnis von 80 % Wismut zu 20 0lo Zinn mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 225° C als geeignet erwiesen. Als Lot für das Anlöten der metallischen Leiterstücke auf die Elementschenkel ist beispielsweise eine Wismut-Zinn-Antimon-Legierung im.Gewichtsverhältnis von 50 0/0 Wismut zu 47,5 % Zinn und 2,5 0% Antimon mit einem Schmelzpunkt - von ungefähr 180° C geeignet. Die Güte der hergestellten Kontakte läßt sich in einfacher Weise dadurch prüfen, daß die Metallplatte und nacheinander- -die metallischen Leiterstücke an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden. Mit einem Oberflächenthermometer wird die Temperatur am Kontakt der Schenkelenden gemessen. Ist die erreichte Abkühlung im Vergleich zur als Maß dienenden, einmalig bestimmten Abkühlung eines Probestückes zu gering, so ist der Kontakt schlecht und muß erneuert werden, was auf Grund der stabilen Metallplatte ohne Schwierigkeiten und ohne großen Aufwand geschehen kann.According to the invention, a solder is to be used for soldering the element legs onto the metal plate, the melting point of which is higher than that of the solder used to solder the metallic conductor pieces onto the element legs. In this way, the soldering of the second process step can be carried out at a lower temperature, thereby avoiding excessive heating of the entire component and thus melting of the soldered contacts produced in the first process step. A bismuth-tin alloy in a weight ratio of 80% bismuth to 20% tin with a melting point of approximately 225 ° C. has proven to be suitable as solder for soldering the element legs onto the copper plate. A bismuth-tin-antimony alloy in a weight ratio of 50% bismuth to 47.5% tin and 2.5% antimony with a melting point of approximately 180 is used as the solder for soldering the metallic conductor pieces onto the element legs ° C suitable. The quality of the contacts made can be checked in a simple manner in that the metal plate and one after the other - the metal conductor pieces are connected to a direct current source. The temperature at the contact between the ends of the legs is measured with a surface thermometer. If the cooling achieved is too low compared to the one-time determined cooling of a test piece, which is used as a measure, the contact is poor and must be renewed, which can be done without difficulty and without great effort due to the stable metal plate.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden in die Metallplatte durch Sägen, Fräsen oder einen äquivalenten Arbeitsvorgang Schlitze gebracht, welche die Metallplatte in der an sich bekannten Weise elektrisch so teilen, daß alle Elementschenkel in Reihe geschaltet sind. In der F i g. 3 ist die Kühleinheit nach Vornahme dieses Verfahrensschrittes in der Ansieht von oben gezeigt. Hierin sind mit 1 wiederum die Metallplatte bezeichnet, mit 2 die Elementschenkel, mit 3 die metallischen Leiterstücke, welche je zwei Elementschenkel miteinander verbinden, und mit 4 die Anschlußklemmen. Durch die Schlitze 5 ist die Metallplatte 1 in rechteckförmige Teilstücke aufgeteilt, wobei jeweils eines dieser Teilstücke zwei Elementschenkel leitend verbindet. Hierbei kann durch geeignete Anordnung der die einen Stirnseiten der Elementschenkel verbindenden metallischen Leiterstücke 3 und der Schlitze 5 in der Metallplatte erreicht werden, daß alle Elementschenkel elektrisch in Reihe liegen. In der auf diese Weise hergestellten Kühleinheit ist die Metallplatte 1, welche den Wärme aufnehmenden Wärmeaustauscher darstellt, durch das Anbringen der Schlitze nur ganz unwesentlich verkleinert und hat demnach ein optimales Ausmaß.In a further process step, the metal plate is through Sawing, milling or an equivalent operation brought slits, which the Metal plate in the known manner electrically divide so that all element legs are connected in series. In FIG. 3 is the cooling unit after doing this Process step shown in the view from above. Here are again with 1 denotes the metal plate, with 2 the element legs, with 3 the metallic conductor pieces, which connect two element legs with each other, and with 4 the terminals. Through the slots 5, the metal plate 1 is divided into rectangular sections, one of these sections in each case connecting two element legs in a conductive manner. Here can by suitable arrangement of the one end faces of the element legs connecting metallic conductor pieces 3 and the slots 5 in the metal plate can be achieved, that all element legs are electrically in series. In the manufactured in this way The cooling unit is the metal plate 1, which contains the heat-absorbing heat exchanger represents, only marginally reduced and by the attachment of the slots therefore has an optimal extent.

Die mechanische Festigkeit der Kühleinheit läßt sich in einfacher Weise erheblich steigern, wenn vor dem Teilen der Metallplatte der Raum zwischen den Elementschenkeln in bei thermoelektrischen Anordnungen anderer Herstellungsart bekannter Weise mit einem härtenden Kunststoff ausgefüllt wird. Hierzu wird die nach dem zweiten Verfahrensschritt erhaltene und in der F i g.-2 dargestellte Anordnung mit einem passenden Rahmen umgeben, dessen Innenraum beispielsweise mit einem kalthärtenden Epoxyharz bis zum oberen Rand der metallischen Leiterstücke 3 gefüllt wird. Nach dem Erhärten des Harzes wird der Rahmen entfernt. Schließlich wird die Metallplatte durch Fräsen von Schlitzen in der in der F i g. 3 gezeigten Weise geteilt. Das den Raum zwischen den Elementschenkeln ausfüllende Epoxyharz erhöht nicht nur die mechanische Festigkeit der Kühleinheit, sondern verhindert auch eine Wärmekonvektion von den metallischen- Leiterstücken zur Metallplatte.The mechanical strength of the cooling unit can be made easier Way significantly increase the space between before dividing the metal plate the element legs in a different type of manufacture in the case of thermoelectric arrangements is filled in a known manner with a hardening plastic. For this purpose, the The arrangement obtained after the second process step and shown in FIG surrounded by a suitable frame, the interior of which, for example, with a cold-curing Epoxy resin is filled up to the upper edge of the metallic conductor pieces 3. To the frame is removed as the resin hardens. Finally the metal plate by milling slots in the FIG. 3 way shown. That the Epoxy resin filling the space between the element legs not only increases the mechanical properties Strength of the cooling unit, but also prevents heat convection from the metallic conductor pieces to the metal plate.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, die mechanische Festigkeit und die Wärmeisolation zu erhöhen, besteht darin, in die in. der F i g. 2 gezeigten Anordnung nach Anbringen eines provisorischen Rahmens einen Schaumstoff wie »Styropor« einzubringen und diesen Schaumstoff im Raum zwischen den Elementschenkeln bis zum unteren Rand der metallischen Leiterstücke mit Wasserdampf zu polymerisieren. Nach Wegnahme des Rahmens ist es zweckmäßig, die Seitenflächen und die zwischen den metallischen Leiterstücken liegende Oberfläche des polymerisierten Schaumstoffes mit einer Schicht eines härtenden Kunststoffes wie eines Epoxyharzes zu bedecken. Die Schichtdicke beträgt zweckmäßigerweise etwa 1 bis 2 mm. Nach Erhärten des Kunststoffes werden in der beschriebenen Weise Schlitze in die Metallplatte gefräst, die anschließend mit Vorteil mit dem gleichen härtenden Kunststoff ausgefüllt werden.Another advantageous option is mechanical strength and to increase the thermal insulation, consists in the in. 2 shown After attaching a temporary frame, arrange a foam such as "Styrofoam" to bring in and this foam in the space between the element legs up to polymerize the lower edge of the metallic conductor pieces with water vapor. To Removing the frame, it is useful to the side surfaces and between the metallic The surface of the polymerized foam with a layer lying on the conductor pieces one hardening plastic such as an epoxy resin. The layer thickness is expediently about 1 to 2 mm. After the plastic has hardened slots are milled in the metal plate in the manner described, which then can advantageously be filled with the same hardening plastic.

In der F i g. 4 ist eine solche Kühleinheit im Schnitt gezeigt, wobei der Schnitt an die in der F i g. 3 mit A-A bezeichnete Stelle gelegt ist. Mit 1 ist die Metallplatte aus Kupfer bezeichnet, auf welche die Elementschenkel 2 angelötet sind, deren andere Stirnseiten durch die angelöteten metallischen Leiterstücke 3 verbunden sind. Mit 6 ist der in den Raum zwischen den Elementschenkeln eingebrachte polymerisierte Schaumstoff bezeichnet, der mit einer dünnen Schicht 7 aus gehärtetem Kunststoff umgeben ist. Ebenso sind die Schlitze 5 mit gehärtetem Kunststoff gefüllt.In FIG. FIG. 4 shows a section of such a cooling unit, the section being similar to that shown in FIG. 3 position marked AA is placed. 1 designates the metal plate made of copper, onto which the element legs 2 are soldered, the other end faces of which are connected by the soldered-on metallic conductor pieces 3. The polymerized foam introduced into the space between the element legs is denoted by 6 and is surrounded by a thin layer 7 of hardened plastic. The slots 5 are also filled with hardened plastic.

Falls eine verstärkte Kühlung erforderlich ist, können auf der Metallplatte und/oder den metallischen Leiterstücken zusätzliche Platten für Luftkühlung oder Kühlwasserkanäle aus Kunststoff angebracht werden.If more cooling is required, the metal plate and / or the metallic conductor pieces additional plates for air cooling or Cooling water channels made of plastic are attached.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kühleinheiten zeichnen sich durch ihre flächenmäßig optimal ausgebildeten Kühlflächen und ihre robuste und kompakte Bauweise aus. Das Herstellungsverfahren ist einfach und billig, es gestattet zudem eine bequeme Prüfung der elektrischen Kontakte und eine gegebenenfalls erforderliche Verbesserung der Kontakte oder eine Auswechslung einzelner Elementschenkel ohne sonderliche Schwierigkeiten.The cooling units produced by the method according to the invention are characterized by their optimally designed cooling surfaces and their robust and compact design. The manufacturing process is simple and cheap, it also allows a convenient test of the electrical contacts and, if necessary, a necessary improvement of the contacts or a replacement of individual element legs without much difficulty.

Claims

Claims: 1. A method for producing one of several electrically Peltier elements connected in series with a cooling unit in which the individual Element legs of approximately the same dimensions initially all soldered to a metal plate which is later divided up to make the electrical connections, d a d u r c h marked that after soldering all element legs with one End face on the one-piece metal plate the other end faces connected by two element legs each by soldering individual metallic conductor pieces be, whereby a solder is used for soldering the element legs, the melting point of which is higher than that of the for soldering the metallic conductor pieces to the Element legs used solder, and that then the metal plate by sawing, Milling od. The like. Is divided by slots so that all element legs are electrically are connected in series.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the higher-melting solder is a bismuth-tin alloy in a weight ratio of 80% Bismuth with 20% tin and a bismuth-tin-antimony alloy as solder with a lower melting point in a weight ratio of 50% bismuth to 47.5% tin and 2.5% antimony can be used.

3. The method according to claim 1, characterized in that prior to dividing the metal plate the space between the element legs is filled with a hardening plastic will.

4. The method according to claim 1, characterized in that before dividing the Metal plate the space between the element legs is filled with a foam which is then polymerized.

5. The method according to claim 4, characterized characterized in that the side surfaces and between the metallic conductor pieces lying surface of the polymerized foam with a layer of a hardening Plastic. Publications considered: German Auslegeschrift No. 1026 339; German Patent No. 1037 480; U.S. Patent No. 2,980 746