DE1160045B

DE1160045B - Thermocouple to utilize the Seebeck and Peltier effects

Info

Publication number: DE1160045B
Application number: DEL33106A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Gottfried Haacke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-04-27
Filing date: 1959-04-27
Publication date: 1963-12-27
Also published as: GB925153A

Description

Die größere Fertigkeit in der Handhabung gewisser Halbleiter wie Bleitelluride, Wismuttelluride, Antimontelluride und der entsprechenden Selenide hat dazu geführt, daß thermoelektrische Elemente zur Erzeugung von Wärme oder Kälte durch Peltiereffekt oder zur Erzeugung von elektrischem Strom durch Ausnutzung eines vorhandenen Temperaturgefälles wieder in den Bereich technischer Verwendbarkeit treten.The greater skill in handling certain semiconductors such as lead tellurides, bismuth tellurides, Antimony telluride and the corresponding selenide has led to thermoelectric elements to generate heat or cold through the Peltier effect or to generate electricity by utilizing an existing temperature gradient back into the area of technical usability step.

Die modernen, für diese Zwecke verwendbaren Elemente bestehen dabei zunächst aus zwei Schenkeln aus Halbleitermaterial unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, die eine hohe Thermokraft, hohe elektrische Leitfähigkeit und geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen sollen. Dieses Schenkelpaar wird unter Zwischenfügung eines thermisch und elektrisch gut leitenden Metalls, wie z. B. Kupfer, miteinander verbunden und an den verbliebenen freien Enden ebenfalls mit Teilen aus dem gleichen Metall versehen. Die drei Metallteile dienen dabei als Wärmeleitkörper und die äußeren beiden Metallteile darüber hinaus als elektrische Zuleitungen. Je nach der Richtung des durch ein solches Element geleiteten Gleichstromes wird entweder der mittlere Metallteil warm und die beiden äußeren kalt, oder umgekehrt. Die Kontaktierung der Teile kann mit jedem Verfahren erfolgen, das zu kleinen Kontaktwiderständen führt, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Bei Benutzung als Peltierelement bezeichnet man den mittleren Wärmeleitkörper mit den an ihm vorhandenen Kontakten mit den Schenkeln als die kalte Kontaktstelle und die anderen beiden Wärmeleitkörper mit den an ihnen befindlichen Kontakten mit den Schenkeln als die warmen Kontaktstellen. Da nun die Rollen der warmen und der kalten Kontaktstellen durch Stromumkehr vertauschbar sind, wird in folgendem nur von der einen Kontaktstellenart und von der anderen Kontaktstellenart gesprochen. Analoge Überlegungen gelten für solche Elemente, die der Erzeugung von elektrischem Strom dienen.The modern elements that can be used for this purpose initially consist of two legs made of semiconductor material of different conductivity type, which has a high thermal force, high should have electrical conductivity and low thermal conductivity. This pair of legs will with the interposition of a thermally and electrically highly conductive metal, such as. B. copper, with each other connected and also provided at the remaining free ends with parts made of the same metal. The three metal parts serve as heat conductors and the two outer metal parts above as well as electrical supply lines. Depending on the direction of the direct current passed through such an element either the middle metal part becomes warm and the two outer parts cold, or vice versa. the Contacting the parts can be done with any method that leads to low contact resistances, for example by soldering or welding. When used as a Peltier element, the middle one is called Heat conducting body with the contacts on it with the legs as the cold contact point and the other two heat conductors with the contacts on them with the legs than the warm contact points. There are now the roles of the hot and cold contact points are interchangeable by current reversal, in the following only one contact point type and one spoken of the other type of contact point. Analogous considerations apply to those elements which the Serve generation of electricity.

Weil für technische Anwendungen in den allermeisten Fällen, z. B. bei der Peltierkühlung, ein einzelnes Element nicht ausreicht und weil zudem ein Spannungsabfall in einem Element brauchbarer Dimensionierung von etwa 0,1 Volt bei einem Strom von etwa 30 Ampere, z. B. im Hinblick auf die Gleichrichtung, zu ungünstigen elektrischen Daten führt, ist man bestrebt, eine Mehrzahl von Elementen elektrisch hintereinander und thermisch parallel zu schalten. Dabei tritt die zusätzliche Schwierigkeit auf, zu einer gedrungenen Bauweise zu gelangen.Because for technical applications in the vast majority of cases, e.g. B. in Peltier cooling, a single Element is not sufficient and because a voltage drop in an element is more useful Dimensioning of about 0.1 volts at a current of about 30 amps, e.g. B. with regard to the Rectification, which leads to unfavorable electrical data, strives to use a plurality of elements to be connected electrically in series and thermally in parallel. This is where the additional difficulty arises on to arrive at a compact construction.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die elektrisch Thermoelement zur Ausnutzung
des Seebeck- und PeltierefEektsIt has already been proposed to exploit the electrical thermocouple
the Seebeck and Peltiere effect

Anmelder:Applicant:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1Licentia Patent-Verwaltungs-G. mb H.,
Frankfurt / M., Theodor-Stern-Kai 1

Dr. rer. nat. Gottfried Haacke, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt wordenDr. rer. nat. Gottfried Haacke, Frankfurt / M.,
has been named as the inventor

hintereinandergeschalteten und deshalb auf unterschiedlichem Potential liegenden Kontaktstellen jeweils einer Art elektrisch isoliert oder thermisch möglichst gut leitend mit einem weiteren gemeinsamen Wärmeleitkörper zu versehen, wobei jedoch der durch die notwendige elektrische Isolierung bedingte größere Wärmewiderstand zwischen den einzelnen Kontaktstellen und ihrem gemeinsamen Wärmeleitkörper in Kauf genommen werden muß.cascaded and therefore on different Potential contact points each of one type, electrically insulated or thermally To be provided with a further common heat conducting body as conductive as possible, but with the greater thermal resistance between the individual due to the necessary electrical insulation Contact points and their common heat conducting body must be accepted.

Gegenstand der Erfindung ist ein Thermoelement zur Ausnutzung des Seebeck- oder Peltiereffektes, dessen aus halbleitendem Material unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps bestehende Schenkel an den Kontaktstellen beider Arten mit Metallkörpern elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Schenkel als gerade Säulen mit beliebigem Querschnitt und die Metallkörper als Rechteckprismen ausgebildet sind und an beiden Kontaktstellenarten sowohl als elektrische Kontaktkörper als auch als Wärmeleitkörper dienen, und besteht darin, daß der Metallkörper an der Kontaktstelle der ersten Art, die sich zwischen den Schenkeln jedes Elementes befindet, als Prisma mit quadratischem Querschnitt ausgebildet ist, und daß die Schenkel mit diesem Metallkörper an einem Ende desselben mit zwei eine Körperkante bildenden Oberflächen in Kontakt stehen.The subject of the invention is a thermocouple for utilizing the Seebeck or Peltier effect, its legs, made of semiconducting material of different conductivity types, at the contact points Both types are electrically conductively connected to metal bodies, the legs being straight Columns with any cross-section and the metal bodies are designed as rectangular prisms and at both types of contact points both as electrical contact bodies and as heat conducting bodies serve, and consists in that the metal body at the contact point of the first type, which is between the legs of each element is formed as a prism with a square cross-section, and that the legs with this metal body at one end of the same with two forming a body edge Surfaces are in contact.

Die beiden eine Körperkante bildenden Oberflächen sind entweder zwei Seitenflächen oder eine Seitenfläche und eine Stirnfläche des Prismas.The two surfaces forming a body edge are either two side surfaces or one Side face and an end face of the prism.

Das thermoelektrische Element gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von den bisher bekannten dadurch, daß die an der einen Kontaktstellenart befindlichen rechteckigen Wärmeleitkörper elektrisch gegeneinander isoliert zu einem zusammenhängenden Block derart vereinigt sind, daßThe thermoelectric element according to the present invention is different from those hitherto known in that the rectangular heat conducting body located on one type of contact point electrically insulated from one another are combined to form a coherent block in such a way that

309 770/100309 770/100

je Wärmeleitkörper zwei benachbarte Flächen freiliegen, daß die diesen Wärmeleitkörpern zugeordneten Schenkelpaare derart auf der freien Fläche angeordnet sind, die die Schenkel unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters von je zwei elektrisch einander benachbarten Wärmeleitkörpern parallel verlaufen, und daß diese Schenkelpaare an ihren in einer Ebene liegenden freien Enden mit je einem weiteren Wärmeleitkörper zu je einer Kontaktstelle der anderen Art vereinigt sind. Auf diese Weise ist es möglich, den Gesamtwiderstand einer solchen Anordnung zu vergrößern und dabei zu einer gedrungenen Bauweise zu gelangen, ohne zusätzliche thermische Widerstände in Kauf nehmen zu müssen.two adjacent surfaces are exposed for each heat-conducting body, so that the heat-conducting bodies associated with these are exposed Pairs of legs are arranged on the free surface in such a way that the legs of different conductivity characters of two electrically adjacent heat conductors each run in parallel, and that these pairs of legs each have a further heat conducting body at their free ends lying in one plane are each united to a contact point of the other type. In this way it is possible to use the To increase the overall resistance of such an arrangement and thereby to a compact design without having to accept additional thermal resistances.

Die Wärmeleitkörper an den Kontaktstellen der einen Art lassen sich am leichtesten durch zwischengefügte Isolierstoffschichten zu einem Block miteinander verbinden. Es stehen genügend Isolierstoffe zur Verfügung, mit denen die Wärmeleitkörper aneinandergeklebt werden können. Zwecks besserer Haf^ tung kann man die Klebestellen auch noch aufrauhen. Wegen der geringen auftretenden Potentialdifferenzen werden die Isolierstoffschichten elektrisch kaum beansprucht und können sehr dünn gehalten werden. Da auch keine große mechanische Belastung zu erwarten ist, brauchen die Isolierstoffschichten nicht den ganzen freien Raum zwischen den Wärmeleitkörpern auszufüllen, sondern es reicht aus, wenn sie nur in dem Bereich zwischen den Wärmeleitkörpern vorgesehen sind, in dem die mit den Thermoelement-Schenkeln in Kontakt stehen. Das hat zudem den Vorteil, daß der Wärmeaustausch z. B. mit dem zu kühlenden Medium leichter vonstatten geht, weil dieses in die zwischen den Wärmeleitkörpern verbleibenden Schlitze zu dringen vermag.The heat conductors at the contact points of one type can be easiest through interposed Connect layers of insulating material to form a block. There are enough insulating materials available Available with which the heat conductors can be glued together. For the sake of better harbor ^ You can also roughen the joints. Because of the small potential differences that occur the insulating material layers are hardly electrically stressed and can be kept very thin. Since no great mechanical stress is to be expected either, the layers of insulating material are not required to fill all the free space between the heat conductors, but it is sufficient if they are only provided in the area between the heat conductors in which the with the thermocouple legs stay in contact. This also has the advantage that the heat exchange z. B. with the to cooling medium takes place more easily, because this is in the remaining between the heat conductors Able to penetrate slits.

Die Wärmeleitkörper an der anderen Kontaktstellenart, die nicht zu einem Block zusammengefaßt sind, können zwecks leichterer Handhabung ganz oder teilweise durch elektrisch leitende, bei Betriebstemperatur plastisch verformbare Körper, z. B. durch Kabellitze, gebildet sein. Diese hat den weiteren Vorteil, daß das ganze System mechanisch weniger anfällig ist.The heat conductors on the other type of contact point that are not combined into a block are, for the purpose of easier handling, can be wholly or partly by electrically conductive, at operating temperature plastically deformable bodies, e.g. B. be formed by stranded wire. This has the further advantage that the whole system is mechanically less susceptible.

Um den Wärmeaustausch mit dem umgebenden Medium zu verbessern, ist es von besonderem Vorteil, wenn die an der Kontaktstelle der ersten Art befindlichen Kontaktkörper unter Wahrung der Prismengestalt so groß ausgebildet sind, daß sie eine Oberfläche aufweisen, die größer als zur Kontaktierung der Schenkel notwendig ist.In order to improve the heat exchange with the surrounding medium, it is particularly advantageous to if the contact body located at the contact point of the first type while maintaining the prism shape are made so large that they have a surface that is larger than for contacting the thigh is necessary.

Eine besonders günstige Ausbildungsform ergibt sich, wenn die an den Kontaktstellen der zweiten Art befindlichen Kontaktkörper durchweg in der gleichen Ebene über die von ihnen berührten Schenkelflächen hinausragen und an ihren so entstehenden freien Enden mit Wärmeaustauschern versehen sind.A particularly favorable form of training arises when the at the contact points of the second Art located contact body consistently in the same plane over the leg surfaces touched by them protrude and are provided with heat exchangers at their free ends thus created.

Einen weiteren Schutz des Elementes erzielt man, wenn es mindestens in dem durch die Thermoelementschenkel aufgespannten Raum in thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoff, z. B. Schaumstoff, eingebettet ist.A further protection of the element is achieved if it is at least in that by the thermocouple legs spanned space in thermally and electrically insulating plastic, e.g. B. foam, is embedded.

Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsformen von thermoelektrischen Elementen gemäß der Lehre der Erfindung.The figures show, in a partially schematic representation, embodiments of thermoelectric Elements according to the teaching of the invention.

In Fig. 1 und 2 ist in Seitenansicht und Aufsicht eine aus zwei Thermoelementen bestehende Thermosäule dargestellt, in der jedes Thermoelement zwei Schenkelpaare n_x und p_x bzw. M₂ und p₂ aufweist.In Fig. 1 and 2, a thermopile consisting of two thermocouples is shown in side view and plan view, in which each thermocouple has two pairs of legs n _x and p _x or M ₂ and p ₂ .

Mit 1 und 2 sind die dazugehörigen Wärmeleitkörper an den Kontaktstellen der ersten Art bezeichnet, während 3, 4 und 5 die Wärmeleitkörper an den Kontaktstellen der zweiten Art sind. Die Wärmeleitkörper 1 und 2 sind mit einer klebenden elektrisch isolierenden Schicht zu einem Block vereinigt, der in Fig. 1 in Aufsicht, in Fig. 2 räumlich dargestellt ist. Die beiden in Fig. 2 als Kanten erscheinenden einander benachbarten Flächen 7 und 8 bzw. 9 und 10 sind derart mit den Schenkelpaaren verbunden, daß die Schenkel unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters P₁ und n_x der beiden elektrisch einander benachbarten Wärmeleitkörper 1 und 2 parallel verlaufen, in Fig. 1 nach oben aus der Zeichenebene treten und daß dieses Schenkelpaar an seinen in einer Ebene liegenden freien Enden mit einem weiteren Wärmeleitkörper 4, der in Fig. 1 nicht dargestellt ist, zu einer Kontaktlötstelle der anderen Art vereinigt ist. Legt man nun den Wärmeleitkörper 3 an den positiven und den Wärmeleitkörper 5 an den negativen Pol einer Gleichstromquelle, so werden sich die Wärmeleitkörper 1 und 2 abkühlen, während sich die Wärmeleitkörper 3, 4 und 5 erwärmen.1 and 2 denote the associated heat conductors at the contact points of the first type, while 3, 4 and 5 are the heat conductors at the contact points of the second type. The heat conductors 1 and 2 are combined with an adhesive, electrically insulating layer to form a block, which is shown in top view in FIG. 1 and three-dimensionally in FIG. The two adjacent surfaces 7 and 8 or 9 and 10, which appear as edges in FIG. 2, are connected to the leg pairs in such a way that the legs of different conductivity characters P ₁ and n _{x of} the two electrically adjacent heat conductors 1 and 2 run parallel, in Fig. 1 step up out of the plane of the drawing and that this pair of legs is combined at its free ends lying in one plane with a further heat-conducting body 4, which is not shown in Fig. 1, to form a contact solder point of the other type. If the heat-conducting body 3 is now placed on the positive pole and the heat-conducting body 5 on the negative pole of a direct current source, the heat-conducting bodies 1 and 2 will cool down, while the heat-conducting bodies 3, 4 and 5 heat up.

In Fig. 3 sind zwei nach Fig. 2 zu einem Vierfachelement zusammengesetzte Elemente dargestellt, das entsprechend den vier Schenkelpaaren n_x bis n₄ bzw. P₁ bis P₁ den vierfachen Innenwiderstand eines einzelnen Schenkelpaares aufweist. Der elektrische Anschluß erfolgt über die Wärmeleitkörper 11 und 12. Das Vierfachelement gemäß Fig. 3 ist in Fig. 3 a räumlich dargestellt.In Fig. 3, two elements according to Fig. 2 combined to form a quadruple element are shown which, corresponding to the four pairs of legs n _x to n ₄ or P ₁ to P _{1, have} four times the internal resistance of an individual pair of legs. The electrical connection is made via the heat conductors 11 and 12. The quadruple element according to FIG. 3 is shown spatially in FIG. 3a.

Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3, bei welchen stets zwei große einander benachbarte Flächen der rechteckigen Wärmeleitkörper mit den Schenkelpaaren in Kontakt gebracht sind, wird bei der Ausführungsform nach Fig. 4, die in Fig. 4 a räumlich dargestellt ist, je eine Stirnfläche 13 bzw. 14 und eine benachbarte große Fläche herangezogen, so daß sämtliche Teile auf einer Ebene liegen. Auch ist bei Fig. 4 der Fall gezeigt, daß die Isolierschicht 15 nur in dem Bereich zwischen den Wärmeleitkörpern vorgesehen ist, in dem diese mit den Thermoelementschenkeln in Kontakt stehen. In dem verbleibenden Spalt 16 kann das umgebende Medium eintreten und mit den Wärmeleitkörpern 17 und 18 in Wärmeaustausch treten. Schwenkt man nun die Wärmeleitkörper 19 und 20 gegensinnig so, daß sie senkrecht zur Zeichenebene stehen, so kann man eine beliebig große Anzahl von Schenkelpaaren zusammenfügen, wie dieses in Fig. 5 und räumlich in Fig. 5 a dargestellt ist. Der in Fig. 4 mit 21 bezeichnete Wärmeleitkörper und seine Analogstücke wurden dabei in Fig. 5 oberhalb der Zeichenebene liegen und sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.In contrast to the embodiments of FIGS. 1 to 3, in which two large one another brought adjacent surfaces of the rectangular heat conducting body with the leg pairs in contact are, in the embodiment according to FIG. 4, which is shown three-dimensionally in FIG. 4 a, each has an end face 13 or 14 and an adjacent large area used, so that all parts on one Lie level. The case is also shown in Fig. 4 that the insulating layer 15 is only in the area between the heat conductors is provided in that they are in contact with the thermocouple legs stand. In the remaining gap 16, the surrounding medium can enter and with the heat conductors 17 and 18 enter into heat exchange. If you now pivot the heat conductors 19 and 20 in opposite directions so that they are perpendicular to the plane of the drawing, you can use any number of Join pairs of legs, as shown in Fig. 5 and spatially in Fig. 5 a. The one in Fig. 4 Thermally conductive body labeled 21 and its analog pieces were shown in FIG. 5 above the The drawing plane and are omitted for the sake of clarity.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Thermocouple to utilize the Seebeck or Peltier effect, which consists of semiconducting Material of different conductivity types existing legs at the contact points of both Types with metal bodies are electrically conductively connected, with the legs as straight columns with Any cross-section and the metal body are designed as rectangular prisms and on both Contact point types serve both as electrical contact bodies and as heat conductors,

characterized in that the metal body at the contact point of the first type, which is located between the legs of each element, is designed as a prism with a square cross-section and that the legs are in contact with this metal body at one end thereof with two surfaces forming a body edge.

2. Thermocouple according to claim 1, characterized in that the two surfaces of the Prisms that form a body edge, either two side faces or one side face and one The face of the prism are.

3. Thermocouple according to claim 1 or 2, characterized in that the at the contact point the first type located contact body formed so large while maintaining the prism shape are that they have a surface area that is larger than that which they are used for contacting need the thigh.

4. Thermocouple according to claim 1 or one of the following, characterized in that the contact bodies located at the contact points of the second type are consistently in the same Level above the thigh surfaces touched by them and on their so emerging free ends are provided with heat exchangers.

5. Thermopile with two or more, combined to form a block, electrically connected in series Thermocouples according to claim 1 or one of the following, characterized in that that the metal bodies at the contact points of the second type with those at the corresponding Contact points of the neighboring elements in a manner known from thermopiles of other types are combined into a single contact body that the legs of adjacent elements at a small distance from each other with the same surface area of this body in each case Make contact and that contact body at the contact points of the first type by thin insulating layers kept at a small distance from each other and electrically isolated from each other are.

6. Thermopile according to claim 5, characterized in that the insulating material layers only in the area between the heat conductors are provided in which these with the thermocouple legs stay in contact.

7. Thermopile according to claim 5 or 6, characterized in that the contact body on the contact points of the second type wholly or partially made of electrically conductive at operating temperature elastically deformable bodies, e.g. B. made of stranded wire.

Considered publications:
British Patent No. 798,882;
U.S. Patent No. 2,846,493.

For this purpose, 1 sheet of drawings