DE4006861A1 - Aufbau von peltier-elementen mit zerteilten abdeckplatten - Google Patents

Description

Zerlegung der Abdeckplatten bei Peltier-Elementen in kleine Einzelbereiche, um einen Abbau von mechanischen Spannungen zu erreichen, die bei Temperaturänderung durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verbundenen Materialien entstehen.

Peltier-Elemente werden seit Jahrzehnten für den Bau von Kühlgeräten - vor allem im Kleinleistungsbereich - verwendet.

Die derzeit meistgebaute Ausführung von Peltier-Elementen sind solche, die beidseitig mit Keramikplatten abgeschlossen sind. Diese Platten (meistens Aluminiumoxid) dienen einerseits der mechanischen Festigkeit der Elemente, andererseits sind sie die zur Wärmeübertragung erforderlichen Kontaktflächen.

Moderne Peltier-Elemente bestehen meist aus einer Vielzahl von Halbleiter- p- und n-Quadern, welche paarweise durch Kupferbrücken verbunden sind, so daß sich eine Serienschaltung der einzelnen Quaderpaare derart ergibt, daß bei Stromdurchgang alle Kaltseiten und alle Warmseiten jeweils in einer Ebene liegen. Die verdrahtenden Kupferbrücken werden in Löttechnik mit den geeignet vormetallisierten Keramikplatten verbunden. Diese Technik führt zu erheblichen Problemen, welche auf die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien zurückzuführen sind. Insbesondere geht es hierbei um den Unterschied zwischen Kupfer und z. B. Aluminiumoxid-Keramik.

Erzeugt man im Kontaktbereich zwischen Kupfer und Keramik eine Temperaturänderung, so hat das eine starke Durchbiegung der Keramikplatten zur Folge bzw. bei Unterdrückung dieser Durchbiegung eine starke Verspannung in den Quadern. Es treten sowohl Zug- als auch Scherspannungen auf. Diese mechanische Verspannung führt, besonders bei Temperatur- Wechselbeanspruchung, leicht zur Zerstörung der Peltier-Elemente. Selbst wenn das Element der rein mechanischen Beanspruchung zunächst gewachsen sein sollte, kann es doch durch Lotermüdung und Rekristallisationsprozesse dazu kommen, daß sich die Kontaktverbindungen lösen bzw. hochohmiger werden, was zu einer ständig ansteigenden Temperatur und schließlich zur Zerstörung im Kontaktbereich führt. Die unterschiedliche Ausdehnung der Warm- und Kaltseite führt ebenfalls zu unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Auch die hierdurch auftretenden Verspannungen können durch ein Aufteilen vermindert werden.

Die erwähnten mechanischen Spannungen wachsen von der Mitte eines Elementes zu den Rändern zu proportional zur Länge an. D. h. je größer ein Element in seiner Kantenausdehnung wird, umso sicherer wird es durch Temperatur- Einflüsse zerstört.

Sinn der Erfindung ist es, selbst bei großflächigem Bau von Peltier- Elementen (z. B. Kantenlänge < 10 mm) für einen ausreichenden Abbau der Spannungen zu sorgen. Hierzu werden die Abdeckplatten mindestens auf einer Seite in kleine Einzelbereiche zerlegt. Diese Maßnahme kann auch noch nachträglich an normal gefertigten Peltier-Elementen durch Zerschneiden der Abdeckplatte erfolgen.

Ein Nebeneffekt dieser Maßnahme ist es, daß das Element wesentlich elastischer wird (bei noch völlig ausreichender Stabilität), so daß das Einspannen zwischen zwei wärmeleitenden Blöcken wesentlich unproblematischer wird.

Claims (5)

1. Aufbau von Peltier-Elementen mit festen beidseitigen Abdeckplatten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dieser Platten durch Zerschneiden in mehrere kleine Teilbereiche zerlegt wird.

2. ..dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Abdeckplatten aus einem elektrisch isolierenden keramischen Werkstoff bestehen.

3. ..nach Anspruch 1), daß die Abdeckplatten metallischer Natur sind unter Verwendung eines elektrisch isolierenden Zwischenmediums.

4. ..nach Anspruch 1), daß mindestens die aufgeteilte Fläche mit einem wärmeleitfähigen Kontaktmittel versehen ist.

5. ..daß das nach 4) verwendete Kontaktmittel Gleiteigenschaften besitzt.