DE1963023A1 - Thermoelektrische Vorrichtung - Google Patents
Thermoelektrische VorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Vorrichtung mit mindestens einem aus einer Mehrzahl von n- bzw. pleitenden
Halbleiterschenkein und metallischen Verbindungsbrücken bestehenden Peltier-Block, an dessen Kalt- bzw. Warmseite
Wärmetauscherelemente angeordnet sind, wobei zwischen den Flächen der Wärmetauscherelemente und der Verbindungsbrücken
eine Zwischenlage aus einem festen Isolierstoff und verformbare Mittel zur Verbesserung des Wärmeüberganges angeordnet sind.
Peltier-Blöcke sind in der Regel so aufgebaut, daß die n- bzw.
p-leitenden Halbleiterschenkel mäanderformig vom elektrischen Strom durchflossen werden. Die metallischen Verbindungsleitungen
zwischen den Halbleiterschenkein des Peltier-Blockes bilden auf
gegenüberliegenden Seiten Flächen, deren eine die Kaltseite
und deren andere die Warmseite des Peltier-Blockes darstellen. Beide Seiten werden in der Regel mit Wärmetauscherelementen versehen,
um die im Peltier-Block während des Betriebes erzeugten Temperaturen an die Umgebung bzw. einem zu kühlenden bzw. zu
erwärmenden Medium abführen zu können.
Da die metallischen Verbindungsbrücken einer Seite des Peltier-Blockes
untereinander unterschiedliche Potentiale aufweisen, ist zwischen ihnen una dem anliegenden Wärmetauscherelement eine
elektriscne Isolation erforderlich, die einen Kurzschluß über die metallischen Wärmetauscnerelemente verhindert. Damit ergibt
sich aber auch ein Temperaturgefälle von der Seite des Peltier-Blockes auf die Fläche de3 Wärinetauscherelementes, was im Interesse
einer guten Ausnutzung der zur Verfugung stehenden Temperaturdifferenz
unerwünscht ist.
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-2-
VPA 69/0143 - 2 -
Es ist bekannt, zwischen den Peltier-Blöcken und den Wärmetauscherelementen
Folien, z.B. Glimraerfolien oder Kunststoff-I'olien
anzuordnen, die als feste Isolierstoffe die metallischen
Verbindungsbrücken gegen die Flächen der Wärmetauscherelemente
elektrisch isolieren. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges können zusätzlich pastöse Hassen aufgetragen werden, die einerseits
am Peltier-Block und andererseits am Wärmetauscherelement
Plächenunebenheiten und Rauhtiefen ausfüllen.
Selbst bei sorgfältiger Verarbeitung ist es während der Fertigung
möglich, daß die elektrisch isolierende Folie beschädigt wird, d.h. daß die Glimmerfolie bricht oder die Kunststoffolie
verletzt wird, wodurch die thermoelektrische Vorrichtung unbrauchbar v/erden kann.
Gegenüber anderen bekannten Ausführungsformen, bei denen eine mechanisch stabile Verbindung zwischen den Peltier-Blöcken und
den Wärmetaus eher element en vorgesehen ist, hat die vorbeschriebene
Art der Montage den Vorteil, daß die Verbindungsbrücken einerseits und die Wärmetauscherelemente andererseits ohne Rücksicht
auf unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten ihrer Materialien nur nach ihrer elektrischen bzw. thermischen leitfähigkeit
ausgewählt zu werden brauchen. Besonders erwünscht ist eine Bewegungsmöglichkeit der Plächen gegeneinander, so daß die metallischen
Verbindungsbrücken und die damit starr verbundenen Halbleiterschenkel nicht zusätzlich mechanisch beansprucht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Vorrichtung der eingangs genannter* Arü anzugeben, bei tier unter
Beibehaltung der Vorteile einer geringen mechanischen Beanspruchung des Peltier-Blockes ein günstiger Wärmeübergang von der
Kalt- bzw. Warraseite zu den Wärmetauscherelementen gewährleistet ist und bei der die elektrische Isolation während der Fertigung
nicht zerstört werden kann.
—3— 109825/1 U8
"VPA 69/0143 _ 3 —
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der feste Isolierstoff aus kristallinem, körnigem Gut besteht und die
Korngröße des Gutes so gewählt ist, daß sie die Summe der Rauhtiefen der Flächen übersteigt. Damit ist sichergestellt, daß
die einzelnen Körnchen einen Mindestabstand zwischen den elektrisch zu isolierenden Flächen festlegen. Mit der kristallinen
Struktur des Isolierstoffes sind die Vorteile eines guten Wärmeüberganges und einer hohen mechanischen Stabilität gegeben.
Günstige Wärmeleitzahlen bei ausreichend hohen elektrischen Isolationseigenschaften haben z.B. Metalloxyde, insbesondere
BerylliumOXj^d, Aluminiumoxyd, Quarz oder dergleichen.
Die V/ärmeleiteigenschaften zwischen den Flächen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung lassen sich um eine Zehnerpotenz steigern, wenn das körnige Gut aus Siliziumkarbid besteht. Siliziumkarbid
ist an sich ein elektrischer Leiter; durch entsprechende Vorbehandlung bzw. durch längere lagerzeit bildet sich jedoch auf
den Siliziumkarbid-Kristallen eine Oxydhaut., die die erforderlichen elektrischen Isolationseigenschaften aufweist.
Mit besonderem Vorteil besteht das körnige Gut aus einer Vielzahl von kugelig geformten Körnchen. Der Vorteil besteht darin,
daß die gewünschte Fließeigenschaft zwischen den wärmeleitend zu verbindenden Flächen erhöht wird.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann es aber auch von
Vorteil sein, wenn im Interesse einer Steigerung der Wärmeübergangszahlen vom Peltier-Block zum Wärmetauscher das körnige Gut
zumindest teilweise in den zu verbindenden Flächen eingepreßt ist,
Für eine einfache Handhabung des körnigen Gutes beim Aufbringen auf die su verbindenden Flächen kann das körnige Gut mit einem
Trägermeüiurn vermischt sein, das zumindest beim Aufbringen auf
die zu verbindenden Flächen flüssig ist. Das Trägermedium weist hierfür vorzugsweise eine bei der Verarbeitung v/irksame Viskosität
von über 100 Centistoke auf. Für einige Fälle ist es günstig,
wenn das Trägermediura zumindest teilweise aus Silikonöl besteht.
-A-109825/1 U8
TPA 69/0143
- 4 -
Eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung macht von einem
Trägermediuni für das körnige Gut Getrauen, das aus zumindest
einem erstarrenden Kunststoff besteht, der elastisch nachgiebig ist und die unterschiedliche Ausdehnung zwischen '..Trmetauscher
und Peltier-Block auszugleichen gestattet.
Solche erstarrenden Kunststoffe sind z.B. Kunstharze auf der Basis Rizinuscl-Isocyanat (Handelsname Desmodur).
Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
In Pig. 1 ist in einer Ansicht eine thermoelektrische Vorrichtung mit einem zwischen zwei V/ärmetauscherelementen angeordneten
Peltierblock schematisch dargestellt.
Die Pig. 2 zeigt eine geschnittene Darstellung einer Sinzelheit
aus Pig. 1.
Die in Pig. 1 dargestellte thermoelektrische Vorrichtung bestellt
aus einem Peltier-Block 1, dessen Kaltseite 2 und dessen V/armseite
3 mit Wärmetausclier&ementen 4 verbunden ist. Üblicherweise
wird die Verbindung so gewählt, daß die Anlagefläch en 5 de3: Wärmetauscherelemente
4 durch nicht weiter dargestellte Spannelemente unter Druck gegen die l/arm- und Kaltseite 2,3 des Peltier-Blockes
1 gepreßt sind. Die Wärmetauscherelemente 4 sind mit Rippen 6 besetzt, durch die ein Luftstrom geführt und entsprechend erwärmt
bzw. gekühlt wird.
Der Peltier-Block 1 besteht aus einer Mehrzahl von n- bzw. pleitenden
Halbleitersclienkeln und diesen zugeordneten metallischen
Verbinöungsbrücken. Die Anordnung ist dabei so getroffen,
daß die Halbleiterschenkel elektrisch in Reihe geschaltet sind und c.ä-3 der elektrische Strom die Halbleiter schenkel und metallischen
Verbindungsbrücken s&anclerförrnig durchfließt. Die metallischen Verbindungsteile Iren bestehen z.B. aus I"upi er, während die
10982S/1U8 BADOR.GINAL
TPA 69/0143
metallischen V/ärmetauseherelemente aus Aluminium bestehen können.
Zur elektrischen Isolation ist zwischen den Flächen der Wärmetauscherelemente 5 und der Verbindungsbrücken des Blockes 1 ein
aus kristallinen, körnigem Gut bestehender Isolierstoff 7 awischengelegt.
Die Korngröße a des Gutes ist so gewählt, daß sie die Summe der Rauhtiefen 2b der Flächen 3,5 übersteigt. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist das körnige Gut 7 zumindest teilweise in die su verbindenden Flächen 3»5 eingepreßt. Zur Erleichterung
der Handhabung ist das körnige Gut mit einem Srägermediun 8 mit
gut wärmeleitenden Eigenschaften vermischt. Das körnige Gut 7,
das z.B. aus Berylliumoxyd, Aluminiumoxyd, Quarz oder Siliziumkarbid
bestehen kann, sollte, um die Fließeigenschaften der Zwischenlage zu begünstigen, eine möglichst kugelige Gestalt haben.
Diese kugelige Gestalt haben z.B. Flußsande. Die Kugelgestalt kann aber auch z.B. durch Abschleifen in einer Kugelmühle erzeugt
werden.
Das Trägermedium 8 ist vorteilhaft zumindest beim Auftragen auf
die zu verbindenden Flächen 3,5 flüssig. Eine Viskosität von über 100 Centistoke ist in vielen Fällen angezeigt. Selbstverständlich
ist es möglich, das Trägermedium zumindest teilweise aus Silikon-Öl herzustellen.
Pur einige Fälle ist es von Vorteil, wenn das Irägermedium aus
einem elastisch nachgiebigen, dehnbaren, nach der Verarbeitung erstarrenden Kunststoff, z.B. einem Kunstharz auf der Basis Rizinusöl-Isocyanat,
besteht.
Um die TVärm<=n.ßitfahigkeit weiter zu verbessern, kann es vorteilhaft
sein, zusätzlich kleinere elektrisch isolierende Körnchen zu verwenden, deren Menge und Größe so abgestimmt ist, daß sie sich
in den durch die kristallinen Isolierntoffkörnchen gegebenen Lücken anordnen.
y Ansprüche
2 Figuren
2 Figuren
-6-10982B/1U8
Claims (9)
- TPA 69/0143 - 6 -Patentansprüche(1./Thermoelektrische Torrich.bung mit mindestens einem aus einer Mehrzahl von n- bzw. p-leitenden Halbleiterschenkeln und metallischen Verbindungsbrücken bestehenden Peitier-Block, an dessen EaIt- bzw. '.'ariaseite 'wärmetauscherelemente angeordnet sind, wobei zwischen den Flächen der '/arme tau seh er elemente und der Verbindungsbrücken eine Zwischenlage aus einen festen Isolierstoff und verformbare Kittel zur Verbesserung des Wärmeüberganges angeordnet sind, dadurch gekennaeich.net, daß der feste Isolierstoff aus kristallinem, körnigen Gut (7) besteht und die ' Korngröße (a) des Gutes (7) so gewählt ist, daß sie die Summe der Rauhtiefen (b) der Flächen (3,5) übersteigt.
- 2. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das körnige Gut (7) aus mindestens einem Iletalloxyd, insbesondere Berylliumoxyd, Aluminiumoxyd, Quarz oder dergleichen besteht.
- 3. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das körnige Gut (7) aus Siliziumkarbid besteht.
- 4· Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- f kennzeichnet, daß das körnige Gut (7) aus einer Vielzahl von kugelig "geformten Körnchen besteht.
- 5. Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis4j dadurch gekennzeichnet, daß das körnige Gut (7) zumindest teilweise in die zu verbindenden Flächen (3,5) eingepreßt ist.
- 6. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1s dadurch gekennzeichnet, daß das körnige Gut (7) mit einem Trägermedium (8) vermischt ist, das zumindest beim. Aufbringen auf die zu verbindenden Flächen (3,5) flüssig ist.1 ü ü ο :> ft / 1 U 8YtA 69/0143
_ γ _ - 7. Thermoelektrisch.» Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, äa'J das Trägerrsediwia (8) bei der Verarbeitung
eine Viskosität von über 100 Centistoke aufweist. - y. Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aas Trägermeöiuin (ö) zumindest teilv/eise aus Silikoncl besteht.
- 9. Thermoelektrische Vorrichtung "nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da£ das Trägemediuia (3) aus zumindest einem
erstarrenden Ilunstetoff, s.B. Kunstharz aui der Basis Risinusöl ο der d er gl e i cli en , ο e s t eh t.1 0 S 3 2 S / 1 1 Ä 8Leerseite
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