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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine thermoelektrische Einheit, beispielsweise eine thermoelektrische
Chipeinheit, ein thermoelektrisches Modul oder eine thermoelektrische
Schicht, die flexibel ist und in der thermoelektrische Halbleiterelemente
benutzt sind, sowie eine Kühl-
oder Heizvorrichtung, in der solche Einheiten verwendet sind.
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Hintergrund
der Technik
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Thermoelektrische Einheiten, in denen
thermoelektrische Halbleiterelemente benutzt sind, die aus Verbindungen,
wie Wismut/Tellur-Verbindungen, Eisen/Silizium-Verbindungen oder
Kobalt/Antimon-Verbindungen bestehen, werden in Anwendungen, wie
Kühl- oder
Heizvorrichtungen und Wärmekrafteinrichtungen
eingesetzt. Eine derartige thermoelektrische Einheit ist zweckmäßig als
Kühl- oder Heizquelle,
die keine Flüssigkeiten
oder Gase benutzt, wenig Platz braucht und keiner Rotationsreibung
unterliegt, und die keine Wartung erfordert.
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Diese thermoelektrische Einheit weist
insgesamt zwei Arten thermoelektrische Halbleiterelemente, vom p-Typ
(p-leitend) und vom n-Typ (n-leitend) auf, die abwechselnd in einem
Feld angeordnet sind, wobei die thermoelektrischen Halbleiterelemente durch
Löten mit
Elektroden so verbunden sind, daß sie eine "n"-förmige Reihenschaltung
bilden. Die thermoelektrischen Halbleiterelemente und Metallelektroden
sind schichtartig zwischen keramischen Substraten angeordnet, die
Metallschichten haben. Diese Anordnung ist weit verbreitet als thermoelektrisches
Modul.
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Ein bekanntes thermoelektrisches
Modul ist in 22 gezeigt.
Wie diese Figur zeigt, sind n-leitende
thermoelektrische Halbleiterelemente und p-leitende thermoelektrische
Halbleiterelemente 42 abwechselnd in einem thermoelektrischen
Modul 41 angeordnet (in 22 ist
nur das thermoelektrische Halbleiterelement am rechten Ende stellvertretend für eine Vielzahl
von Elementen mit Bezugszeichen versehen). Die n-leitenden thermoelektrischen
Halbleiterelemente und die p-leitenden thermoelektrischen Halbleiterelemente 42 sind
mit Elektroden 43 verbunden. Ober- und Unterseiten der
thermoelektrischen Halbleiterelemente 42 sind ab wechselnd
mit den Elektroden 43 verbunden, so daß letztendlich alle Elemente
in Reihe geschaltet sind. Die Verbindungen zwischen den Elektroden 43 und
den thermoelektrischen Halbleiterelementen 42 sind mittels
Löten hergestellt.
Die Elektroden 43 sowohl an der Oberals auch an der Unterseite
sind mit keramischen Substraten 44 verbunden, die mit einem
Metall, wie Kupfer oder Nickel metallisiert sind, um die ganze Anordnung
zusammenzuhalten. Das so aufgebaute thermoelektrische Element wird
normalerweise als thermoelektrisches Modul bezeichnet.
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Mit Elektroden dieses thermoelektrischen Moduls 41 ist
eine Stromquelle verbunden, und wenn ein Strom in Richtung von jedem
n-leitenden Element zu einem p-leitenden Element fließt, wird
durch den Peltiereffekt sichergestellt, daß Wärme vom oberen Bereich der "n"-Gestalt
absorbiert und Wärme
von deren Unterseite erzeugt wird. Eine Umkehr der Verbindungsrichtung
der Elektroden ändert
die Richtungen, in der Wärme
absorbiert und erzeugt wird. Dieses Phänomen wird ausgenutzt, um das
thermoelektrische Element in einer Kühl- oder Heizvorrichtung verwenden zu können. Ein
solches thermoelektrisches Modul ist in einem großen Anwendungsbereich
nützlich,
vom Kühlen
von Geräten,
beispielsweise Rechnerzentraleinheiten und Halbleiterlasern, bis
zur Verwendung in isolierten Kühlräumen.
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Mit thermoelektrischen Halbleiterelementen aus
Wismut/Tellur-Verbindungen, die für die Verwendung in solchen
thermoelektrischen Modulen stellvertretend stehen, besteht insofern
ein Problem, als deren Kristalle die Tendenz haben, an Bruchflächen zu
bersten. Deshalb werden im Stand der Technik gezogene Einkristalle
zuerst in Scheiben geschnitten und die in Scheiben geschnittenen
Kristalle gewürfelt,
um rechteckige Gestalten zu ergeben, deren Dimensionen im Größenordnungsbereich
von 1,5 mm × 1,5
mm × 2
mm liegen, die dann in thermoelektrischen Modulen verwendet werden.
Da sich die Kristalle an den Bruchflächen leicht teilen, werden
die rechteckigen thermoelektrischen Halbleiterelemente üblicherweise
von Hand mit Hilfe von Pinzetten auf einem keramischen Substrat
angeordnet, welches mit einer dünnen
Metallschicht behandelt wurde. Nach dem Anordnen werden die Elemente
dann mit Metallelektroden verlötet.
Das bedeutet, daß das
dabei entstehende thermoelektrische Modul außerordentlich fest ist und
es ihm an Flexibilität
mangelt. Da die Flexibilität
auch durch das Löten
selbst verringert wird, ist das thermoelektrische Modul starr. Darüber hinaus
bedeutet die Verwendung eines keramischen Substrats, daß das thermoelektrische
Modul keine Biegbarkeit oder Flexibilität besitzt und steif ist.
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Mit 1,5 mm × 1,5 mm × 2 mm sind die Abmessungen
jedes thermoelektrischen Halbleiterelements klein, so daß auch die
Abmessungen des thermoelektrischen Elements selbst, wenn es als
Handelsprodukt auf den Markt kommt, außerordentlich klein sind, nämlich höchstens
etwa 40 × 40
mm oder 60 × 60
mm.
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Da die thermoelektrischen Halbleiterelemente
ferner leicht zerbrechen können,
wird ein thermoelektrisches Modul so gestaltet, daß es eine
große Einbaudichte
thermoelektrischer Halbleiterelemente auf einem keramischen Substrat
hat. Die daraus resultierende Oberfläche der Anordnung aus den thermoelektrischen
Halbleiterelementen (mit anderen Worten deren Kühl- oder Heizoberflächen) ist klein, so daß deren
Wirkungsgrad beim Kühlen
oder Heizen eines großen
Oberflächenbereichs
außerordentlich
schlecht ist. Außerdem
wird dieses Modul zu groß durch
das Vorsehen weiteren Zubehörs,
beispielsweise einer Wärmesenke
oder eines Gebläses, um überschüssige Wärme abzuführen.
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Da das bekannte thermoelektrische
Modul 41 durch einen Doppelschichtaufbau aus dem oberen
und unteren Substrat 44 aus Keramik zusammengehalten ist,
bilden das obere und untere Substrat 44 vitale Bestandteile
des Moduls. Das bedeutet, daß das
gesamte thermoelektrische Element dick und der Wirkungsgrad seiner
Wärmeleitfähigkeit schlecht
ist.
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Um die Wärmeleitfähigkeit in diesem Fall zu verbessern,
sind Versuche mit der Verwendung von Isolierschichten oder flexiblen
Harzschichten als Substrate anstelle von Keramik durchgeführt worden. Diese
Verwendung einer Schicht oder einer Harzschicht als Substrat macht
es möglich,
die Dicke der Substrate, auf denen die thermoelektrischen Halbleiterelemente
angebracht werden, zu verringern und damit die Wärmeleiteigenschaften zu verbessern.
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Eine in der japanischen offengelegten
Patentanmeldung 3-137462 offenbarte Technik betrifft beispielsweise
die Ausführung
thermoelektrischer Halbleiterelemente auf einem Isolierschichtsubstrat.
Mit dieser Technik wird eine ziemlich große Dichte thermoelektrischer
Halbleiterelemente erzielt. Außerdem ist
an der Wärme
absorbierenden Seite derselben ein Druckgefäß vorgesehen, so daß die Kühl- oder
Heizvorrichtung starr ist.
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Die japanische offengelegte Patentanmeldung
7-202275 offenbart eine Technik, bei der als eine Elektrode eine
Kupferplatte verwendet ist, die an einer Harzschicht befestigt ist,
welche Flexibilität
und Wärmewiderstand
besitzt, und auf einer solchen Elektrode sind thermoelektri sche
Halbleiterelemente angebracht. Bei dieser Technik ist das fertige
thermoelektrische Modul fest mit einer Kupferplatte auf der Harzschicht
verlötet,
so daß das
komplette Modul starr ist und es ihm an Flexibilität mangelt.
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In beiden Fällen ist es das Ziel, die Gesamtdicke
des thermoelektrischen Elements zu verringern und den Wirkungsgrad
der Wärmeübertragung
zu erhöhen.
Jede dieser Techniken beinhaltet aber eine große Anordnungsdichte thermoelektrischer
Halbleiterelemente, so daß dem
gesamten thermoelektrischen Element Flexibilität fehlt. Beide Anmeldungen geben
mit anderen Worten nützliche
Beispiele zum Verbessern des Wirkungsgrads des Wärmeübergangs, sie offenbaren aber
keinerlei technische Lehren betreffend flexible Kühl- oder
Heizelemente.
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Aus US-A-5156004 und FR-A-1323569
sind starre thermoelektrische Elemente bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, eine thermoelektrische Einheit zu schaffen, bei der
es nicht wahrscheinlich ist, daß sich
thermoelektrische Halbleiterkristalle längs Bruchflächen teilen bzw. aufspalten.
Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche gelöst.
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Mit der Erfindung sind eine thermoelektrische
Einheit, wie eine Chipeinheit, eine thermoelektrische Einheit, ein
thermoelektrisches Modul und eine thermoelektrische Schicht geschaffen,
die, weil sie flexibel sind, das Teilen bzw. Aufspalten vermeiden.
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Außerdem kann in einer Kühl- oder
Heizvorrichtung gemäß der Erfindung
eine große
Kühl- oder Heizoberfläche abgedeckt
werden, wozu nur kompakte ergänzende
Ausstattung zum Abstrahlen von Wärme
nötig ist
und, aufgrund der Flexibilität,
eine Anwendbarkeit selbst auf Objekte von komplizierter Gestalt
gegeben ist.
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Eine thermoelektrische Einheit gemäß der Erfindung
weist thermoelektrische Halbleiterelemente des n-Typs und thermoelektrische
Halbleiterelemente des p-Typs in gleicher Anzahl auf, die mit Elektroden
verbunden und auf einem einzelnen Substrat angeordnet sind. Dabei
sind die thermoelektrischen Halbleiterelemente des n-Typs und die
thermoelektrischen Elemente des p-Typs in Löcher innerhalb des flexiblen
Substrats eingesetzt.
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Hierdurch ist es nicht wahrscheinlich;
daß sich
die Halbleiterkristalle des thermoelektrischen Elements an Bruchflächen teilen.
Da das Chip-Substrat als ein flexibler Isolator gestaltet ist, wird
eine flexible thermoelektrische Chipeinheit erhalten.
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Thermoelektrische Einheiten gemäß der Erfindung
können
auf oder zwischen flexiblen Schichten angebracht werden, um thermoelektrische Schichten
zu bilden.
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Derartige thermoelektrische Schichten
können
in einer Kühl-
oder Heizvorrichtung gemäß der Erfindung
als Kühl-
oder Heizquellen benutzt werden. Die Kühl- oder Heizvorrichtung nach
der Erfindung kann auch eine thermoelektrische Schicht nutzen, in der
bekannte thermoelektrische Module in einem bestimmten Abstand an
einer flexiblen Schicht befestigt sind.
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Da die Kühl- oder Heizvorrichtung nach
der Erfindung flexibel ist, hat sie einen guten Kühl- oder Heizwirkungsgrad
und kann leicht an einem Objekt von komplizierter Gestalt befestigt
werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Beispiels der Konfiguration der
thermoelektrischen Chipeinheit dieser Erfindung.
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2 ist
eine Stirnansicht dieses Beispiels der Konfiguration der thermoelektrischen
Chipeinheit dieses Erfindens;
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3 zeigt
thermoelektrische Halbleiterelemente, die bei der Herstellung der
thermoelektrischen Chipeinheit verwendet werden;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer bei der Herstellung der thermoelektrischen
Chipeinheit verwendeten, gelochten Isolierplatte;
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5 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines bei der
Herstellung der thermoelektrischen Chipeinheit benutzten Montagegestells;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht von in das Montagegestell eingesetzten,
gelochten Isolierplatten;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht thermoelektrischer Halbleiterelemente,
die Löcher
in den gelochten Isolierplatten durchsetzen;
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8 zeigt,
wie die thermoelektrischen Halbleiterelemente zusammen mit dem Montagegestell
geschnitten werden;
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9 ist
eine vergrößerte Ansicht
zu trennender Bereiche;
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10 zeigt
eine durch das Schneiden erhaltene thermoelektrische Chipeinheit,
an der noch genutete Seitenplatten befestigt sind;
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11 ist
eine Stirnansicht eines Beispiels einer thermoelektrischen Einheit;
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12 ist
eine Draufsicht und eine Stirnansicht eines weiteren Beispiels einer
thermoelektrischen Einheit;
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13 ist
eine Draufsicht und eine Stirnansicht noch eines weiteren Beispiels
einer thermoelektrischen Einheit;
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14 ist
eine Draufsicht und eine Stirnansicht eines weiteren Beispiels einer
thermoelektrischen Einheit,
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15 ist
eine Draufsicht und eine Stirnansicht noch eines weiteren Beispiels
einer thermoelektrischen Einheit;
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16 ist
eine Stirnansicht eines Beispiels eines thermoelektrischen Moduls;
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17 ist
eine Draufsicht und eine Stirnansicht eines Beispiels einer thermoelektrischen Schicht;
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18 ist
eine Stirnansicht eines weiteren Beispiels einer thermoelektrischen
Schicht;
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19 ist
eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel einer thermoelektrischen
Schicht;
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20 ist
eine Draufsicht auf noch ein weiteres Beispiel einer thermoelektrischen
Schicht;
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21 ist
eine Draufsicht auf den Aufbau einer bandförmigen Kühl- oder Heizvorrichtung; und
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22 ist
eine Stirnansicht des Aufbaus eines bekannten thermoelektrischen
Moduls.
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Beste An und
Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Eine perspektivische Ansicht eines
Beispiels des Aufbaus einer thermoelektrischen Chipeinheit gemäß der Erfindung
ist in 1 gezeigt, und
eine Draufsicht darauf ist in 2 gezeigt.
Diese thermoelektrische Chipeinheit 1 hat eine Konfiguration,
in der thermoelektrische Halbleiterelemente 30 in einem
Chip-Substrat 2 eingebettet gehalten sind. (In 1 und 2 gibt es drei thermoelektrische Halbleiterelemente
30n des n-Typs und drei thermoelektrische Halbleiterelemente 30p
des p-Typs.)
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Das Chip-Substrat 2 besteht
aus einem harten Isolator, der aus Keramik oder Epoxyglas gebildet ist,
oder einem flexiblen Isolator, wie Kunststoff, Gummi oder einem
Elastomer. Wenn es aus einem harten Isolator aufgebaut ist, kann
die Festigkeit der thermoelektrischen Halb leiterelemente 30 durch
das Chip-Substrat 2 verstärkt werden. Wenn es aus einem
flexiblen Isolator aufgebaut ist, kann ein flexibles thermoelektrisches
Modul hergestellt werden.
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Die thermoelektrischen Halbleiterelemente 30 bestehen
aus Halbleitereinkristallen eines Materials, wie Wismuttellurid,
die einen kleinen Durchmesser in der Größenordnung von 0,5 bis 3,0
mm haben. Die Dicke des Chip-Substrats ist geringer als die der thermoelektrischen
Halbleiterelemente 30, was erleichtert, diese thermoelektrische
Chipeinheit 1 mit den Elektroden eines thermoelektrischen
Moduls zu verbinden.
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Eine thermoelektrische Chipeinheit
einer solchen Gestaltung, daß die
thermoelektrischen Halbleiterelemente von einem einzigen Chip-Substrat
gehalten werden, gibt es in der Technik nicht. Die Verwendung dieser
Konfiguration, bei der thermoelektrische Halbleiterelemente in einem
einzigen Chip-Substrat eingebettet gehalten werden, hat den Vorteil, daß es für die Halbleiterkristalle
schwer ist, sich an Bruchflächen
zu teilen. Insbesondere wenn das Chip-Substrat 2 aus einem flexiblen
Material gestaltet ist, ist es für
die Kristalle schwer, sich zu teilen, wenn eine Situation eintritt,
bei der das Chip-Substrat 2 gebogen wird. Im Gegensatz
dazu werden die Halbleiterkristalle in dem bekannten thermoelektrischen
Modul von zwei Substraten gehalten, so daß bei diesen Kristallen die
Wahrscheinlichkeit besteht, daß sie
sich teilen, wenn das Substrat gebogen wird.
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Das Verfahren zum Herstellen dieser
thermoelektrischen Chipeinheit soll nun unter Hinweis auf die 3 bis 10 beschrieben werden.
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3 bis 5 zeigen die bei der Herstellung der
thermoelektrischen Chipeinheit benutzten Materialen und Werkzeuge.
Wie aus 3 hervorgeht,
bilden p-leitende Nadeleinkristalle 3p und n-leitende Nadeleinkristalle
3n, jedes mit einer Länge
von 150 mm und einem Durchmesser von 2y ..mm, die thermoelektrischen
Halbleiterelemente. Diese thermoelektrischen Halbleiterelemente
werden durch ein Verfahren hergestellt, welches in den Beschreibungen
und Zeichnungen von Patentanmeldungen offenbart ist, die von den
gegenwärtigen
Erfindern als japanische Patentanmeldung Nr. 6-336295 am 22. Dezember 1994
und japanische Patentanmeldung Nr. 7-276751 am 22. September 1995
herausgebracht wurden. Dieses Herstellungsverfahren macht es möglich, Nadeleinkristalle
zu bilden, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,5 bis 3,0
mm haben. Es ist auch festgestellt worden, daß mit diesem Her stellungsverfahren
gebildete, zylindrische Halbleiterkristallstäbchen längs der Bruchflächen schwerer
zu teilen sind als mit bekannten Verfahren gebildete, eckige Halbleiterkristalle.
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Das Material einer in 4 gezeigten, gelochten Isolierplatte 23 ist
unterschiedlich, je nach dem, ob das in 1 gezeigte Chip-Substrat 2 ein harter
Isolator oder ein flexibler Isolator ist. Ist es ein harter Isolator,
kann ein Material, wie Keramik oder Epoxyglas verwendet werden.
Handelt es sich um einen flexiblen Isolator, kann ein Material,
wie Kunststoff, Gummi oder ein Elastomer verwendet werden. Die Dicke
ist 0,3 bis 0,5 mm, gleichgültig
ob ein harter oder flexibler Isolator verwendet wird, und in senkrechter
Richtung in der Nähe
jedes Seitenrandes derselben ist eine in der Figur nicht gezeigte
V-förmige Nut
gebildet.
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In der gelochten Isolierplatte 23 ist
eine große
Anzahl Löcher 24 zum
Einsetzen der p-leitenden Nadeleinkristalle
3p und der n-leitenden Nadeleinkristalle 3n gebildet. Die Anordnung
dieser Löcher 24 ermöglicht es,
die Einbaudichte der thermoelektrischen Halbleiterelemente nach
Bedarf einzustellen. Jede beliebige Anordnung von Elementen innerhalb der
thermoelektrischen Chipeinheit kann entsprechend der Anzahl Löcher in
der gelochten Isolierplatte und der Anzahlen von Reihen und Spalten
derselben gewählt
werden.
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Ein in auseinandergezogener, perspektivischer
Ansicht in 5 gezeigtes
Montagegestell 25 ist aus zwei genuteten Seitenplatten 26 und
einer einzigen Bodenplatte 29 gestaltet. Diese bestehen
aus Aluminium und sind mittels Schrauben zusammengehalten, die zwischen
Schraubenlöchern 28 hindurchgeführt sind.
In senkrechter Richtung sind in jeder der genuteten Seitenplatten 26 mehrere
Dutzend Nuten 27 in einem vorherbestimmten Abstand A von beispielsweise
2 bis 3 mm gebildet. Die schon genannte, gelochte Isolierplatte 23 wird
in diese Nuten 27 eingesetzt.
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Zunächst wird die gelochte Isolierplatte 23, wie
in 6 gezeigt, in das
Montagegestell eingebaut. Hierbei wird die gelochte Isolierplatte 23 dadurch
aufrecht gehalten, daß die
beiden Ränder
der gelochten Isolierplatte 23 in die Nuten 27 eingepaßt werden,
die in senkrechter Richtung in den Seitenflächen der genuteten Seitenplatten 26 gebildet
sind. Es sei darauf hingewiesen, daß aus Gründen der Zweckmäßigkeit
nur zwei gelochte Isolierplatten an den beiden Enden in dieser Figur
gezeigt sind.
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Die p-leitenden Nadeleinkristalle
3p und die n-leitenden Nadeleinkristalle 3n werden dann durch die
Löcher 24 der
gelochten Isolierplatte 23 hindurchgeführt, wie in 7 gezeigt. Hierbei werden die Bauelemente
des p-Typs und des n-Typs abwechselnd angeordnet. Es sei noch erwähnt, daß aus Gründen der
Zweckmäßigkeit
in dieser Figur nur eines der p-leitenden Nadeleinkristalle 3p gezeigt
ist.
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In die Räume, die zwischen dem Montagegestell
und den mehreren Dutzend gelochter Isolierplatten 23 gebildet
sind, wird dann ein Klebstoff, beispielsweise ein Polyamid eingespritzt,
um die p-leitenden Nadeleinkristalle 3p und die n-leitenden Nadeleinkristalle
3n an den gelochten Isolierplatten 23 zu fixieren.
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Als nächstes werden die mittels Klebstoff
an den perforierten Isolierplatten 23 befestigten p-leitenden Nadeleinkristalle
3p und n-leitenden Nadeleinkristalle 3n aus Bereichen in der Mitte
zwischen den gelochten Isolierplatten 23 getrennt. Da diese
an den gelochten Isolierplatten 23 und dem Montagegestell 25 mittels
dieses Klebstoffs festsitzen, werden sie gemeinsam mit dem Montagegestell
getrennt, wie in 8 gezeigt.
Das Trennen erfolgt mittels einer Drahtsäge, wie durch Pfeile B in 8 angedeutet. In 8 sind nur zwei Trennschnitte
gezeigt. Eine Vergrößerung der
zu trennenden Bereiche ist in 9 gezeigt.
Es sei darauf hingewiesen, daß die
Oberflächen
der p-leitenden Nadeleinkristalle 3p und der n-leitenden Nadeleinkristalle
3n mit Klebstoff bedeckt sind, auch wenn dies in 9 nicht gezeigt ist. Durch dieses Trennen
können
mehrere Dutzend thermoelektrische Chipeinheiten gleichzeitig geschaffen
werden, wie in 10 gezeigt.
Es sei allerdings angemerkt, daß in
diesem Stadium die durchschnittenen, genuteten Seitenplatten 26 des
Montagegestells und die gelochten Isolierplatten 23 noch
festhängen,
so daß die
genuteten Seitenplatten 26 an der einen oder anderen Seite
durch Aufbringen von Kraft, mit der sie an den Stellen der V-förmigen Nuten
im V gebogen werden, entfernt werden.
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Das oben beschriebene Verfahren macht
es möglich,
mehrere Dutzend thermoelektrische Chipeinheiten herzustellen, wie
in 1 und 2 gezeigt.
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Eine thermoelektrische Einheit kann
erhalten werden, indem Elektroden an den thermoelektrischen Halbleiterelementen
der so geschaffenen thermoelektrischen Chipeinheit befestigt werden,
beispielsweise durch Löten.
Wenn das Chip-Substrat jeder thermoelektrischen Chipeinheit ein
flexibler Isolator ist, wird die thermoelektrische Einheit unweigerlich
auch flexibel.
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Es sei erwähnt, daß die gegenwärtigen Erfinder
eine Anordnung aus Elektroden, die mit einer thermoelektrischen
Chipeinheit verbunden sind, eine "thermoelektrische Einheit" nennen.
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Die in dieser thermoelektrischen
Einheit verwendeten Elektroden könnten
natürlich
Metallplatten sein, zum Beispiel die üblicherweise verwendeten Kupferplättchen,
oder es könnten
auch flexible Elektroden verwendet werden. Zu den Beispielen, die man
als flexible Elektroden erwähnen
kann, gehören dünne Metallplättchen,
beispielsweise Plättchen
aus Kupfer oder Phosphorbronze, Gummi oder Kunststoff, die eine
Leitfähigkeit
und einen Widerstand besitzen, der ausreichend geringer ist als
der der thermoelektrischen Halbleiterelemente, oder Metallnetze oder
dergleichen. Wenn eine flexible Elektrode dieses Typs verwendet
wird, wird die Flexibilität
der thermoelektrischen Einheit selbst weiter erhöht.
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Eine Seitenansicht eines Beispiels
dieser thermoelektrischen Einheit ist in 11 zu sehen. Diese thermoelektrische
Einheit 4 ist aus einem Chip-Substrat 2a in Form
eines flexiblen Isolators, einer thermoelektrischen Chipeinheit,
in die thermoelektrische Halbleiterelemente des n-Typs 30n und thermoelektrische
Halbleiterelemente des p-Typs 30p eingebaut sind, und Elektroden 5 erhalten,
die aus durch Löten
befestigten dünnen
Kupferplättchen gebildet
sind. Diese Anordnung könnte
natürlich
in diesem Zustand als Fertigprodukt versandt werden. Die hierbei
benutzten Elektroden 5 haben eine Dicke im Größenordnungsbereich
von 0,1 mm, so daß sie ausreichend
flexibel sind. Die Flexibilität
kann weiter erhöht
werden, indem der Abstand vergrößert wird,
in dem die thermoelektrischen Halbleiterelemente 30 angeordnet
sind. Ein Wert der Einbaudichte der thermoelektrischen Halbleiterelemente 30,
der für
das Verhältnis
zwischen Flexibilität
und Kühl-
oder Heizwirkungsgrad optimal ist, wird in der Praxis angestrebt.
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Es können viele verschiedene Verwirklichungen
thermoelektrischer Einheiten geschaffen werden, je nach der Auslegung
der Anordnung von Löchern 24 in
der gelochten Isolierplatte 23. Beispiele hierfür sind in
den 12 bis 15 gezeigt. In jeder dieser
Figuren ist A eine Draufsicht und B eine Seitenansicht. Die in den
Draufsichten zu erkennenden, geschwärzten und hohlen Ovale dienen
der Unterscheidung zwischen p-leitenden und n-leitenden Elementen.
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12 zeigt
eine thermoelektrische Einheit, in der sechs thermoelektrische Halbleiterelemente
in einer einzigen Reihe angeordnet sind, und 13 zeigt eine thermoelektrische Ein heit,
in der zehn thermoelektrische Halbleiterelemente in einer einzigen Reihe
angeordnet sind. 14 zeigt
eine Anordnung aus vierzehn thermoelektrischen Halbleiterelementen
in zwei Reihen. 15 zeigt
eine Anordnung aus zehn thermo-elektrischen Halbleiterelementen
in zwei Reihen.
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16 zeigt
ein thermoelektrisches Modul, welches dadurch verwirklicht ist,
daß über der
thermoelektrischen Einheit gemäß 11 eine Isolationsdecke
angeordnet ist. Dieses thermoelektrische Modul 6 hat ausreichende
Flexibilität
im Gegensatz zu der Steifheit des bekannten thermoelektrischen Moduls,
das absolut keine Flexibilität
besitzt. Die thermoelektrischen Halbleiterelemente eines bekannten
thermoelektrischen Moduls sind nicht in ein Substrat eingebettet,
wie oben beschrieben, sondern sie sind in einem Schichtaufbau zwischen
einem Substrat an einer wärmeabsorbierenden
Seite und einem Substrat an einer wärmeabstrahlenden Seite gestaltet,
wie schon beschrieben.
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Wie 16 zeigt,
ist oberhalb und unterhalb der Elektroden 5 der thermoelektrischen
Chipeinheit ein flexibler Isolator 7 vorgesehen, und eine
flexible Isolationsdecke oder Schicht 8 kann gleichfalls
oberhalb und unterhalb dieser flexiblen Isolatoren 7 vorgesehen
sein. Natürlich
können
die flexiblen Isolatoren 7 selbst auch als flexible Schichten
oder Decken dienen. Wenn zum Beispiel als flexibler Isolator wärmeleitfähige Silikonschichten
verwendet werden, können
diese gleichzeitig auch die Funktion flexibler Isolationsdecken
oder Schichten erfüllen.
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Ein flexibles thermoelektrisches
Modul kann auf die oben beschriebene Weise erhalten werden. Hierzu
können
natürlich
beliebige andere flexible Schichten statt wärmeleitfähige Silikonschichten verwendet
werden. Es können
auch Metallnetze, dünne Metallplättchen oder
dergleichen oben auf einem mit Silikonschichten bedeckten thermoelektrischen
Modul verwendet werden.
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Die oben beschriebenen thermoelektrischen Einheiten
und thermoelektrischen Module können
je als unabhängige
Erzeugnisse vertrieben werden, und jedes kann unmittelbar in einer
Reihe von Anwendungsfällen
verwendet werden. Wenn man sie aber zu thermoelektrischen Schichten
macht, könnte man
ihren Marktwert erhöhen
und ihren Anwendungsbereich ausweiten. Die Montage thermoelektrischer
Einheiten oder thermoelektrischer Module auf einer flexiblen Schicht
macht es möglich,
eine flexible thermoelektrische Schicht zu erhalten. Die gegenwärtigen Erfinder
nennen ein thermoelektrisches Element, in welchem thermoelektrische
Einheiten oder thermoelektrische Module auf einer Isolierschicht montiert
sind, eine "thermoelektrische
Schicht".
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Beispiele dieser thermoelektrischen
Schichten sind in 17 und 18 gezeigt. Eine thermoelektrische
Schicht wird durch Anbringen thermoelektrischer Module 6 auf
einer flexiblen Isolierschicht 9 erhalten. Eine flexible
Decke 10 kann zum Schutz gleichfalls vorgesehen werden.
Es sei erwähnt,
daß 17A eine Draufsicht ist,
während 17B und 18 Stirnansichten sind. 18 zeigt ein Beispiel, bei dem Schichten 11 sowohl
an der Oberseite als auch an der Unterseite benutzt sind, und 17B zeigt ein Beispiel,
bei dem eine Schicht 9 nur an der Unterseite verwendet
und eine Decke 10 an der Oberseite befestigt ist.
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Gemäß der hier beschriebenen Erfindung
ermöglicht
es die Benutzung flexibler thermoelektrischer Einheiten oder thermoelektrischer
Module, eine flexible thermoelektrische Schicht zu erhalten. Das
in der thermoelektrischen Schicht verwendete flexible Material könnte eine
dünne Kupfer-
oder Phosphorbronzeplatte sein, oder es könnte sich um ein Metallnetz
handeln. Eine Harzschicht, die überragende
Wärmeleitfähigkeit
hat, beispielsweise eine wärmeleitfähige Silikonschicht
könnte
verwendet werden. Alternativ könnte
ein geeigneter Kunststoff oder Elastomer oder dergleichen verwendet
werden.
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Auch wenn 17 und 18 Beispiele
thermoelektrischer Schichten zeigen, ist die Erfindung nicht auf
die Form thermoelektrischer Schichten beschränkt. Es ist möglich, thermoelektrische
Schichten verschiedener, unterschiedlicher Formen durch die Verwendung
unterschiedlicher Konfigurationen zu schaffen oder dadurch, daß die Anordnungsdichte der
thermoelektrischen Einheiten oder thermoelektrischen Module derselben
variiert wird.
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Wenn beispielsweise der Abstand der
Anordnung thermoelektrischer Module größer gemacht wird, wird allein
dadurch die Flexibilität
der thermoelektrischen Schicht erhöht und außerdem der Wärmewirkungsgrad
verbessert. In einem Kühl-
oder Heizkasten sind zum Beispiel nur ungefähr ein oder zwei thermoelektrische
Module mit Abmessungen von 40 mm im Quadrat benutzt worden. Da die
thermoelektrischen Module selbst so klein sind, können sie
in einem beliebigen Teil des Kastens unbeschränkt eingebaut werden. Daher
muß, um
das Innere des Kastens auf etwa 5°C
zu halten, die Temperatur der thermoelektrischen Module selbst niedrig gesetzt
werden, auf etwa –5°C, und das
Kühlen
oder Erwärmen
des Kastens mittels der Wärmeleitfähigkeit
der Aluminium- oder Kupferplättchen
darin muß lange
dauern. Im Gegensatz dazu kann bei einer thermoelektrischen Schicht
gemäß dieser
Erfindung, bei der die thermoelektrischen Einheiten oder thermoelektrischen
Module eine geringe Einbaudichte haben, der thermoelektrischen Schicht
selbst ein verhältnismäßig großer Oberflächenbereich
gegeben werden. Es ist deshalb unnötig, sie lokal innerhalb des
Kastens anzuordnen, sie kann in einem großen Bereich vorgesehen werden,
was natürlich
ihren Wärmewirkungsgrad
verbessert. Mit anderen Worten, die thermoelektrische Schicht kann über der
gesamten Innenfläche
des Kastens angeordnet werden, so daß es nicht erforderlich ist,
die Temperatur der thermoelektrischen Halbleiterelemente sehr niedrig
zu machen, und die gewünschte
Temperatur kann auch innerhalb einer kurzen Frist erreicht werden.
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Die thermoelektrische Schicht kann
als eine Schicht verschiedener, unterschiedlicher Gestalten ausgebildet
werden. Außerdem
könnten
bekannte thermoelektrische Module verwendet werden, die nicht so
flexibel sind wie die thermoelektrischen Module dieser Erfindung.
In 19 sind als Beispiel
fünf der
bekannten thermoelektrischen Module 41 auf einer bandförmigen,
flexiblen Schicht 9 angeordnet gezeigt. Ähnlich sind
drei Reihen zu acht bekannten thermoelektrischen Modulen 41 in 20 in einem rechtwinkligen
Feld gezeigt. Die Anordnung derselben kann also frei gewählt werden.
Ferner könnte
die Schicht eine kreisförmige
Schicht, konzentrische kreisförmige
Schichten, eine dreieckige Schicht oder eine sternförmige Schicht
sein. Die am besten geeignete Gestalt kann ausgewählt werden,
die zu dem zu erwärmenden
oder abzukühlenden
Objekt paßt.
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Da diese thermoelektrische Schicht
in der Technik vollkommen unbekannt ist, wird sie von den gegenwärtigen Erfindern
erstmals eingeführt.
Bekannte thermoelektrische Module können an einer flexiblen Schicht
zur Verwendung als thermoelektrische Schicht festgemacht werden,
wie in 19 und 20 gezeigt. Es ist auch möglich, eine
thermoelektrische Schicht herzustellen, die bekannte thermoelektrische
Elemente und thermoelektrische Elemente gemäß dieser Erfindung aufweist.
Davon wird erwartet, daß sich
der Anwendungsbereich thermoelektrischer Halbleiterelemente drastisch
erweitern läßt.
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Ein spezielles Beispiel einer bandförmigen Kühl- oder
Heizvorrichtung, die um einen Kopfteil, Armteil oder Beinteil eines
Menschen geschlungen werden kann, ist in 21 als ein Beispiel für die Anwendung einer flexiblen
thermoelektrischen Schicht gezeigt. In dieser Kühl- oder Heizvorrichtung sind
gewöhnliche,
im Handel erhältliche
thermoelektrische Mo dule 41 in einem bestimmten Abstand
auf einer flexiblen Schicht 45 angeordnet, die aus einem
langen, schmalen Phosphorbronzeplättchen gebildet ist. Mit jedem
Ende der flexiblen Schicht 45 ist ein Band 46 verbunden,
um diese Kühl-
oder Heizvorrichtung am menschlichen Körper zu befestigen, wenn sie
als Kühl-
oder Heizvorrichtung benutzt wird.
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Je sieben der thermoelektrischen
Halbleiterelemente des p-Typs und des n-Typs, jedes 20 mm lang und
6 mm breit, sind in jedem thermoelektrischen Modul 41 angeordnet
und von einem Aluminium- oder Kupfersubstrat gehalten. Acht dieser
thermoelektrischen Module 41 sind auf einem dünnen Phosphorbronzeplättchen 45 angeordnet,
welches 0,4 mm dick, 150 mm lang und 40 mm breit ist. Da die als
Schicht verwendete Phosphorbronzeplatte so dünn ist, ist sie flexibel, so
daß man
erwarten kann, daß sie
die Wirkung hat, den Kopf zu kühlen
und die Füße zu wärmen, wenn
sie zum Beispiel als Kopfband benutzt wird.
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In diesem Fall ist die Dichte thermoelektrischer
Module 41, die an der Schicht 45 befestigt sind, vorzugsweise
zwischen 3% und 55%, ausgedrückt als
Verhältnis
des Oberflächenbereichs
der thermoelektrischen Halbleiterelemente zum wirksamen Oberflächenbereich
der Schicht. Ist die Dichte größer als 55%,
fehlt es der Schicht an Biegbarkeit; ist sie geringer als 3%, gibt
es keinen erkennbaren Effekt unter dem Gesichtspunkt des Wärmewirkungsgrades.
Es sei angemerkt, daß sich
der wirksame Oberflächenbereich
hier auf den Bereich dieser Schicht ohne Abschnitte, die für andere
Zwecke verwendet werden, bezieht (beispielsweise in 21 die Bereiche, wo die Bänder 46 mit
der Schicht verbunden sind). Die Einbaudichte der thermoelektrischen
Module 41 auf der Schicht 45 erhält man in
der Praxis aus einem Abwägen
des Kühl-
oder Heizwirkungsgrades und der Flexibilität.
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Das thermoelektrische Element dieser
Erfindung ist die Basis einer thermoelektrischen Chipeinheit. Unweigerlich
hat entweder die Oberseite oder die Unterseite eines thermoelektrischen
Elements eine hohe Temperatur und die jeweils andere Seite eine
niedrige Temperatur. Die thermoelektrische Chipeinheit, die die
Basis dieser Erfindung darstellt, ist aus in ein Chip-Substrat eingebettetem,
thermoelektrischem Halbleiterelement gestaltet, so daß dieses Chip-Substrat
auch als Trennung dient. Anders ausgedrückt, zwischen der Oberseite
und der Unterseite eines gewöhnlichen
thermoelektrischen Moduls wird eine Luftströmung induziert, wodurch der
Wärmewirkungsgrad
erniedrigt wird; da aber das Chip-Substrat diese Luftströmung zwischen
der Oberseite und der Unterseite des thermoelektrischen Elements
gemäß dieser
Erfindung unterdrückt,
wird dessen Wärmewirkungsgrad
verbessert.
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Der zwischen der Oberseite und der
Unterseite eines gewöhnlichen
thermoelektrischen Elements hervorgerufene Temperaturunterschied
verursacht eine Expansion der Oberfläche hoher Temperatur und eine
Kontraktion der Oberfläche
niedriger Temperatur, so daß das
ganze thermoelektrische Element unweigerlich einer Biege- und Spannungsverformung
unterworfen wird. Da das als Trennung im thermoelektrischen Element
gemäß dieser
Erfindung wirkende Chip-Substrat flexibel ist, werden durch Spannungen
verursachte Verformungen absorbiert, und das Element hat folglich
den Vorteil, eine große
Beständigkeit
gegenüber
wiederholter Spannungsverformung zu besitzen.
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Gewerbliche
Anwendbarkeit
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Wie schon gesagt, kann die thermoelektrische
Einheit, das thermoelektrische Modul, und die thermoelektrische
Schicht gemäß dieser
Erfindung in Kühl-
oder Heizvorrichtungen Verwendung finden.
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Ein Beispiel für die Anwendung desselben ist ein
bandförmiges
Sportgerät,
Haushaltsgerät
oder ein medizinisches Gerät,
welches zum Erwärmen oder
Kühlen
verwendet wird. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist ein Kühl- oder
Heizgerät
zur Verwendung im Freien. Ein spezielles Beispiel dafür ist ein
Kühl- oder
Heizkasten. Die Wirkungen, die erzielt werden, wenn das Kühl- oder
Heizelement gemäß dieser
Erfindung in einem solchen Kasten verwendet wird, sind bereits beschrieben
worden. Ein drittes Anwendungsbeispiel liegt auf Landwirtschaftlichem
Gebiet. Es kann benutzt werden, um die Temperatur eines Wasserbehälters oder
Topfes einzustellen.
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Ein viertes Anwendungsgebiet ist
die Fertigungstechnik. Da die thermoelektrische Schicht gemäß dieser
Erfindung so flexibel ist, kann sie ohne Schwierigkeiten an ein
Objekt von komplizierter Gestalt angepaßt werden. So kann zum Beispiel
diese thermoelektrische Schicht eine nützliche Funktion als Kühl- oder
Heizvorrichtung erfüllen,
wenn sie um einen Körper
von kreiszylindrischer Gestalt geschlungen wird, beispielsweise
eine Welle oder ein Lager. Diese thermoelektrische Schicht kann
auch um ein Rohr gewickelt werden, um die Temperatur eines durch
das Rohr fließenden
Fluids einzustellen. Wenn das Fluid im Rohr einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt
hat, ist es wahrscheinlich, daß sich das
Fluid im Rohr verfestigt und das Rohr blockiert, falls dessen Temperatur
sinkt. In einem solchen Fall kann durch die Verwendung der thermoelektrischen Schicht
gemäß dieser
Erfindung zum Aufrechterhalten der Temperatur desselben, das Fluid
gefördert werden,
ohne sich zu verfestigen. Darüber
hinaus kann diese Vorrichtung zum Kühlen oder Heizen eines Motors
oder sonstigen Mechanismus innerhalb einer Fabrik benutzt werden.
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Eine fünfte Anwendung ist Bekleidung.
Anwendbar ist diese Vorrichtung beispielsweise für Kleidung für Rennläufer, Rennfahrer,
Rennpferde, im Freien benutzte Kälteschutzkleidung,
Kälteschutzkleidung
für Leute,
die im Innern von Kühlräumen arbeiten,
wärmende
oder kühlende
industrielle Kleidung an extrem kalten oder heißen Orten, oder Feuerbekämpfungsausrüstung.