Appareil pour la production du froid au moyen de l'effet Peltier. Le but de la. présente invention est l'uti- ïisation du phénomène électrofrigorifique, connu SOUS le nom d'effet Peltier, pour la production dit froid et la construction l'ap- pareils frigorigènes.
Dans cette méthode de production du froid par le courant électrique, la substance frigorigène qui consiste dans la, soudure de deux corps conducteurs différents n'éprouve has de changement d'état physique ou chi mique. Il n'y a pas de mouvement de ma- 1 ièr e. Les appareils sont entièrement sta tiques. 11 n'y a. aucun organe mobile.
Divers dispositifs ont déjà été proposés pour utiliser l'effet Peltier. Les dispositions ilue nous décrivons ci-après donnent le moyen d'améliorer grandement le rendement frigo rifique de cet effet.
Le froid produit aux soudures par l'ef fet Peltier est proportionnel à l'intensité du vourant. En outre par suite de l'effet Joule, le courant produit, dans tout le circuit, de la ,-haleur proportionnellement au carré de son intensité. Enfin les soudures qui alternent avec les soudures froides s'échauffent par ef fet Peltier inverse.
Pour utiliser le froid Peltier, les couples frigorigènes comprendront deux régions dis tinctes: celle où le froid Peltier est concentré, et celle où les chaleurs Joule et Peltier sont dissipées dans le milieu ambiant.
Dans la région froide, il faudra: <B>1.0</B> Réduire le plus possible la chaleur Joule qui tend à masquer .le froid Peltier.
?o Atténuer les pertes par conductibilité thermique à travers les conducteurs, pertes qui diminuent la .chute de température à la .soudure froide.
<B>30</B> Eviter les pertes par rayonnement et: convection.
Dans la région chaude on devra: Favoriser le rayonnement et la convection des chaleurs Joule et Peltier dans le milieu ambiant et éviter leur propagation par con- ductibilité thermique et convection du côté de la région froide.
-Ces diverses dispositions, combinées avec le meilleur réglage du courant, permettent l'utilisation de l'effet Peltier polir la produc tion continue du froid.
Le dessin annexé représente schématique ment, à titre d'exemples, diverses formes d'exécution de l'appareil suivant la présente invention que nous classons en deux catégo ries: I. Celles dans lesquelles toutes les sou dures servent à refroidir un espace donné, avec les substances solides, liquides et ga zeuses qui s'y trouvent.
-II. Celles où l'on n'utilise le froid que d'une partie des soudures, les autres sou dures servant uniquement à absorber la chaleur Joule et à refroidir les couples sur une plus grande longueur de manière à ob tenir une température plus basse aux sou dures utilisées.
<I>Première catégorie.</I> La fig. 1 représente la coupe longitudinale d'un couple frigori gène; Les fig. 2 et 3 sont respectivement une coupe longitudinale et une vue en plan d'un appareil de démonstration à couple unique; Les fig. 4 et 5 sont une coupe longitudi nale et -une coupe transversale d'un appareil à couples multiples où la région chaude est refroidie par l'air; La fig. 6 représente la coupe longitudi nale d'un frigorigène à couples multiples dont la région chaude est refroidie par l'air et par l'eau;
Les fig. 7 et 8 montrent la coupe longi tudinale et la vue en plan d'un appareil à couples multiples où la région chaude est re froidie par l'eau selon une disposition diffé rente de la précédente; Deuxième catégorie. Les fig. 9 et 10 sont respectivement une coupe longitudinale et une coupe transversale d'un appareil à son dures échelonnées dont la fig. 11 est la vue en perspective chi massif frigorigène;
Les fig. 12 et 13 se rapportent û la coupe et à la vue en perspective d'un massif formé d'un grand nombre d'étages; La fig. 14 montre en perspective un mas sif dont les soudures sont en spirale; La fig. 15<B>-</B>montre le développement de cette spirale;
Les fig. 16;<B>17</B> et lb montrent respecti vement une coupe longitudinale schématique, une vue en plan avec coupe transversale par tielle et une.vue en perspective d'un massif' dont les centres frigorigènes sont à l'exté rieur et à l'intérieur du massif; Les fig. 19 et 20 montrent schématique ment des coupes longitudinales de deux mas sifs aplatis, l'un dont toutes les soudures sont extérieures, l'autre dont les soudures sont les unes intérieures, les autres exté rieures; La fig. 21 est une coupe schématique montrant. les trois régions d'un massif à étages;
La fig. \?2 est la, coupe schématique d'un appareil à, étages dont les soudures plongent dans un liquide à, chaque étage: La fig. 23 est une coupe d'un appareil étagé clans lequel chaque étage plonge. dans le liquide contenu .dans une enceinte isolante entourant l'enceinte de l'étage précédent; La fig. 24 est une vue en perspective d'une chambre froide clans laquelle aboutis- sent plusieurs massifs étagés.
Maris toutes ces figures, on a utilisé les mêmes chiffres pour représenter les mêmes organes.
Exemple <I>Î</I> La fig. 1. montre la coupe d'un appareil (le démonstration constitue> par un seul ooupl.e. Ce couple est formé d'un conducteur tu- bulaire .en alliage de bismuth 1 entourant un conducteur cylindrique en antimoine 2. Les cieux eonduetPnrs isolés l'un de l'autre sur toute leur longueur n'ont de contact qu'à, la base où le cylindre d'antimoine s'élargit et oü il est, soudé directement au tube de bis- mntb.
t1 l',iiiitre extrémité, chaque conducteur est soudé respectivement à une plaque de cui vre 3 et 4, portant la prise -de courant cor respondante. La soudure froide plonge dans un liquide à refroidir contenu dans un tube Pewar 5. La- distance entre la, soudure froide et les soudures chaudes est suffisante pour empê cher la. chaleur produite à. ces dernières de se propager par conductibilité thermique dans la. région froide du couple.
<I>Exemple II</I> Les fig. 2 et 3 se rapportent à un appa reil de démonstration comprenant un seul couple formé de deux métaux différents: un conducteur vertical cylindrique 2, en anti moine, par exemple, entouré d'un conduc teur tubulaire 1 en alliage de bismuth.
Ces deux conducteurs isolés l'un de l'autre sur toute leur longueur n'ont de contact qu'à, la base où ils sont soudés ensemble par une plaque de cuivre 6 qui réunit les deux con ducteurs. La- partie horizontale qui pro longe les deux conducteurs au sommet forme lin disque en deux secteurs inégaux, le plu: grand correspondant au bismuth. Chacun de ces deux secteurs qui est percé de trous pour activer la convection porte une prise de cou rant 7 respectivement 8.
La soudure et son voisinage plongent dans un liquide à refroidir, contenu dans un vase Dewar 5.
Les prises de courant 7 et 8 étant reliées respectivement aux pôles -4- et - d'un gé nérateur de courant continu. un courant s'é tablit, allant du bismuth à l'antimoine en passant à travers la soudure qui, en se re froidissant par effet Peltier, abaisse la tem pérature du liquide. Le vase Dewar dont les parois sont isolantes constitue la chambre froide de l'appareil.
La chaleur Peltier (effet: Peltier inverse) développée aux bornes 7 et 8, ainsi que- la -haleur Joule produite dans les conducteurs :ont dissipées en grande partie par les sec- fi-tirs supérieurs, dont les grandes surfaces m)nt favorables au refroidissement.
Pans ces deux appareils, comme dans tous ceux dont la description suivra, on a dc- lerniiné les sections des deux métaux de telle façon que les surfaces de ces sections soient clan:
le même rapport que les résistivités des (leiix métaux, condition essentielle pour atté- nuer le plus possible la chaleur Joule et les pertes par conductibilité thermique, et par conséquent, pour obtenir la meilleure chute de température ou le maximum de frigorie: à la soudure. Toutefois, on pourra, suivant les métaux employés et suivant la longueur de région froide utilisée, augmenter ou di minuer jusqu'à 10 % environ la section du plus résistant des deux métaux, la section to tale du couple restant la même.
La section du couple dépend naturelle ment de l'intensité du courant qui la. par court. La section -transversale des métaux formant un couple pourra avoir les formes les plus diverses: circulaire, carrée, rectan gulaire, en forme de couronne, de segment, ctc. Les conducteurs formeront ainsi des-bar- res cylindriques à. section .entière ou fragmen tée, des barres carrées ou rectangulaires, des feuilles, des rubans, des fils, des tubes à sec tion entière ou fragmentée.
Les deux métaux pourront aussi être appliqués par tout pro <B>c</B> e 'dé <B>.</B> de métallisation sur un des côtés d'une feuille de papier ou d'un tissu. Les deux métaux d'un couple pourront être placés l'un devant l'autre, l'un à côté de l'autre, ou l'un autour de l'autre.
Plusieurs -couples peuvent être juxtaposés: on forme ainsi des massifs métalliques de sec tion circulaire, ou polygonale ayant une eer- taine hauteur et dont l'une des bases con tient les soudures frigorigènes.
Exemple <I>III</I> Les fig. -1 et 5 représentent un frigori- énc à couples multiples.
Les couples disposés radialement et super posés sont formés chacun d'une, pièce d'anti moine 2 placée entre deux groupes de deux pièces 1 en alliage de bismuth. Ces cinq pla ques isolées les unies des autres sont soudées à l'extrémité froide à une bande de cuivre 6l. Le centre de l'appareil est occupé par un tube de verre 11, contenant le liquide â, re froidir. Les plaques métalliques sont pleines jusqu'à. une certaine distance du centre. C'est la zone froide.
Extérieurement, elles sont percées de trous qui favorisent la convection de la cha leur Joule dans le milieu ambiant. Entre les couples, radialement et longitudinale ment, se trouve un remplissage en matière isolante appropriée 9 qui s'arrête radiale- ment au commencement de la. partie trouée des plaques métalliques. Deux disques cons titués de la. même matière isolante, ou de toute autre, couvrent l'un le dessus, l'autre le dessous de la partie centrale de l'appareil.
Les couples composant cet appareil sont connectés entre eux en série par des plaques de cuivre 10, soudées aux métaux; la sur- face de ces plaques de cuivre est suffisante pour activer la dissipation dans le milieu ambiant (le la chaleur Peltier qui se déve. loppe à ces soudures.
<I>Exemple IV</I> La. fig. 6 est une coupe longitudinale cl'un appareil à couples multiples dont les soudures Dans chaudes cet appareil, sont refroidies. les couples par 1, de 2 l'eau. sont en forme d'U renversé,
soudés à l'extrémité froide à une bande de cuivre 6.
La région froide forme un anneau cen t ral plongeant dans un vase isolant 5 conte- >> zut un liquide incongelable qui entoure un f,ibe 11 dans lequel se trouve le liquide à refroidir.
La. partie rayonnante des couples consiste clans la portion horizontale de 1'U, suivie d'une portion verticale plongeant dans une cuve à eau 12, ou un autre liquide dont les courants de convection enlèvent autour des métaux la chaleur produite. Toute la partie rayonnante est percée de trous pour favori ser la. eonvection.
<I>Exemple V</I> Les fig. 7 et 8 représentent respective ment une coupe longitudinale d'un disposi tif à couples multiples dont la. région chaude est refroidie par de l'eau ou un autre li quide, et une coupe transversale du groupe ment des couples.
Les couples 1, 2 de cet appareil en forme dl ont une partie verticale qui est la ré- pion froide, et une partie horizontale percée de trous qui est la région rayonnante.
La partie horizontale est. à la base de l'appareil et plonge dans une cuve à eau 12. Sur la partie verticale est placé, reposant sur les plaques de cuivre 6, qui constituent les soudures, un vase 5, contenant un li quide à refroidir.
La région froide est entièrement recou verte d'une cloche isolante 13.
Les couples sont connectés entre eux en série par des conducteurs 10.
Avec un couple frigorigène ou un fais ceau de couples dont toutes les soudures sont dans un même plan ou dans une même surface perpendiculaire à la. direction des conducteurs, on ne peut pas dépasser un cer tain abaissement de température (10 à 11 avec les couples les plus énergiques).
Ceci s'explique par les pertes dues à la conductibilité thermique qu'on ne peut pas éviter et par le fait qu'il n'est pas possible de dépasser une certaine densité de courant à cause de la. chaleur Joule.
Pour obtenir un plus grand refroidis sement aux soudures d'un couple ou d'un faisceau de couples frigorigènes, il est néces saire d'augmenter la longueur de la région froide (les conducteurs, et, par conséquent, d'absorber la chaleur Joule sur une plus grande longueur.
Exemple <I>VI</I> Les fig. 9. 10 et<B>Il</B> montrent un appareil qui permet d'arriver à ce résultat. Dans cet appareil, les conducteurs 1 et 2 du pre inier eouple ou faisceau de couples sont en tourés d'un deuxième faisceau de couples l' et 2' plus court, dont les soudures 6' s'a.rrè- tent à une certaine distance des soudures f, du premier faisceau.
Les conducteurs l' et 2' du deuxième fais- e.eau seront eux-mêmes entourés d'un troi sième faisceau de couples 1" et 2" dont le:: soudures 6" s'arrêteront à une certaine dis tance clés soudures 6' du deuxième faisceau, et ainsi (le suite.
On forme clé cette façon un massif métal lique dont le nombre d'étages est d'autant plus grand que 1a dénivellation de tempéra- ture à obtenir est plus considérable.
La. chaleur produite dans les couples par effet Joule est absorbée par les soudures froides aux différents niveaux et celle qui est produite par effet Peltier inverse est dis sipée par des ailes 15, 15', 15", 15'", perfo rées ,et plongeant dans l'eau fréquemment re nouvelée d'un bassin inférieur 19 sur le fond duquel repose le massif sans contact électri que.
Une enveloppe isolante 13 entoure le dis positif de façon à former à sa, partie supé rieure une chambre froide 16 recouverte d'un couvercle 14. La basse température de la chambre est entretenue par l'ensemble des soudures froides 6. Toutes les autres sou dures 6', 6", 6"' sont isolées calorifiquement par une masse isolante appropriée 9 que con tient l'enveloppe l'3 autour -de la portion moyenne, de façon à éviter la convection qui tendrait. à. égaliser les températures dans le sens de la hauteur du massif et par consé quent à diminuer la dénivellation totale. Les couples sont connectés entre eux en série ou en série parallèles ainsi que l'indique la fig. 10.
La section totale d'un massif et la section ou le nombre des soudures à un niveau donné augmentent à mesure qu'on s'éloigne du couple (ou du faisceau de couples) le plus long, suivant une propor tion calculée de manière à absorber la cha leur Joule aux divers niveaux parer aux pertes par rayonnement. (réduites au mini mum par l'enceinte isolante) et donner un nombre de frigories suffisantes pour attein dre le régime permanent .dans un temps donné.
La. température, comme la section, dimi auent de la grande base à la petite base du massif. La répartition des températures sui vant la hauteur du massif s'établit unique- trient par conductibilité thermique.
Les soudures auxiliaires, destinées à re froidir les conducteurs .du massif, pourront se trouver toutes à l'extérieur sur les surfaces latérales du massif ou bien elles se trouve ront soit à l'extérieur, soit à. l'intérieur du massif.
Dans ce dernier cas, certaines portions des conducteurs, au lieu d'être parallèles à l'axe du massif pourront former un angle avec cet axe ou suivre des lignes courbes. Les ar rangements pourront être très variés.
La. forme de la section du massif pourra être circulaire, elliptique, polygonale, apla tie, etc. La. section des couples constituant le massif pourra aussi avoir les formes les plus variées.
Exemple <I>V11</I> Les fig. 12 et 13 se rapportent à un mas sif formé d'un grand nombre d'étages dont tous les centres frigorigènes sont extérieurs.
Le faisceau central est cylindrique à sec tion circulaire. Les couples terminés par les soudures auxiliaires sont juxtaposés en forme d'anneaux concentriques de plus en plus courts autour du faisceau central. Les étages sont équidistants, la largeur des anneaux augmente de la petite à la grande base du massif, dans une proportion donnée.
Dans cet exemple, la section totale d'un étage vaut une fois et un tiers celle de l'é tage précédent. Les anneaux pourront aussi avoir tous même largeur. Dans ce cas, la dis tance entre chaque étage diminuera de la petite à la grande base du massif.
<I>Exemple V111</I> Au lieu -de former des étages (escalier), les soudures pourront former une spirale (fig. 14) dont le développement est montré par la fig. 15. La section du massif aug mente insensiblement. La bande spiralée for mée par la juxtaposition des couples a, dans cet exemple, partout même épaisseur. 'Les spires se rapprochent de la petite à la grande base du massif. Les spires pourraient aussi être équidistantes; dans ce cas, l'épaisseur de la bande spiralée augmenterait progressive ment.
<I>Exemple IX</I> Les fig. 16 à 18 représentent une forme d'exécution à centres frigorigènes extérieurs et intérieurs. Cet exemple comporte un en semble de couples constitué par une série d'entonnoirs à surface courbe isolés électri quement et emboîtés les uns dans les autres de manière à former un massif plein. Cha que entonnoir est constitué par des couples en forme de rubans. Comme le montre la fig. 18, ces rubans sont disposés de manière que les soudures forment un certain nombre de lignes en zigzag sur la surface de chaque entonnoir. Les entonnoirs sont disposés les uns dans les autres de telle façon que les lignes des soudures ne se superposent pas.
Elle sont décalées d'un entonnoir à l'autre pour assurer une meilleure répartition des centres frigorigènes dans le massif.
<I>Exemple X</I> Les couples terminés par les soudures, toutes extérieures, pourront, comme le mon tre la fig. 19, avoir la. forme de feuilles ou de lames.
Les couples centraux dont on veut utili ser le froid forment dans cet exemple un cer tain nombre de feuilles juxtaposées comme dans un livre. Des deux côtés du faisceau central sont juxtaposées des feuilles plus courtes dont le nombre (ou l'épaisseur) aug mentera et la longueur diminuera. à mesure qu'on s'éloignera des soudures centrales.
On pourrait aussi, comme dans la fig. 20. intercaler dans le massif des feuilles plus courtes, .entre des feuilles plus longues, de manière à répartir les centres frigorigènes dans toute l'épaisseur du massif.
Au point de vue de leur utilisation, on peut diviser les massifs frigorigènes à sou dures étagées en trois régions cc, <I>b,</I> et c comme l'indique la fig. 21.
La région a est celle où. le froid est uti lisé à la base étroite du massif, elle se trouve dans une enceinte empêchant le mieux pos sible le rayonnement vers l'extérieur. A l'an térieur de cette enceinte, on pourra, par di vers artifices, favoriser le rayonnement et la convection du froid produit. Par exem ple, en écartant les couples ou en di visant leur surface, en munissant la sur- face des couples de pièces métalliques 18 à grandes surfaces et très conductrices, l'ex trémité froide des massifs pourra aussi plon ger dans un liquide contenu dans un réci pient où il sera refroidi et qui présentera une grande surface de rayonnement.
Le liquide refroidi pourra aussi circuler dans des tuyaux en communication avec. le récipient et tapissant les parois de l'en ceinte, etc.
La région b, celle où l'on utilise la con- ductibilité thermique pour produire une plus grande baisse de température, est aussi pla cée dans une enceinte empêchant le rayonne ment avec l'extérieur.
Dans cette région, l'intervalle compris entre les couples et entre le massif et l'en ceinte sera en général rempli d'une substance isolante solide empêchant toute convection.
La troisième région c est celle où l'on fa vorise par divers artifices le rayonnement et la convection avec l'extérieur.
Dans cette région, les couples s'épanoui ront hors du massif et s'écarteront l'un de l'autre, leur section pourra hêtre accrue, leur surface de rayonnement augmentée en les divisant, en perçant des trolls dans leur épais seur, en les munissant d'ailettes, etc. Les couples pourront aussi être refroidis par une circulation de liquides.
Cette région comprendra. aussi, le plus souvent, les soudures où se produit de la eha= leur par le phénomène de Peltier, le courant passant du métal positif au métal négatif.
. Si l'on désire utiliser la chaleur produite à ces soudures, on les placera dans une en ceinte calorifuge; elles formeront alors la quatrième région du massif: la région chaude.
Dans certains appareils, on pourra utiliser la convection des liquides pour égaliser, dans le sens horizontal (perpendiculaire à l'axe du massif), les températures de différents éta ges, comme le montre la fig. 22, en interrom pant la matière isolante à des niveaux déten minés et en la remplaçant par un liquide 22 circulant dans les interstices entre les couples ou dans les canaux traversant le massif.- Dans d'autres appareils, comme dans la fig. <B>23,</B> chaque étage pourra avoir une en ceinte isolante autour de laquelle circulera le liquide refroidi par les soudures de l'étage supérieur.
On obtient ainsi un meilleur re froidissement (17 à.<B>18'</B> avec des couples énergiques pour des appareils à deux .étages).
La dernière fig. 24 est une vue d'une chambre froide 19, dans laquelle aboutissent plusieurs massifs étagés 20, noyés dans une matière isolante 9. Les soudures froides plongent dans un liquide incongelable 21 contenu dans un bassin dont le fond, formant l'une des parois de la chambre froide, porte nervures facilitant la convection.
Dans tous les appareils décrits ci-dessus, Ici deux métaux d'un couple sont soudés à une de leurs extrémités et de là électrique- nic-nt isolés et juxtaposés sur une partie de leur parcours.
Les deux métaux d'un couple pourront aussi. à. partir de la soudure où le froid est utilisé. être dans le prolongement l'un de l'autre ou former un angle l'un avec l'autre. Dans ce cas, les conducteurs sortiront en deux points différents de l'enceinte isolante.
Plusieurs couples présentant cette dispo sition pourront être associés et .groupés en rliicane si leurs sections sont différentes. Chacun des deux conducteurs ou faisceaux de conducteurs aboutissant aux soudures froides pourra être entouré de soudures auxiliaires échelonnées pour augmenter la chute de tem pérature.
Les massifs métalliques pourront être utilisés .à diverses températures, c'est-à-dire qu'ils pourront se trouver soit dans un mi lieu à température atmosphérique. soit dans un milieu à température plus basse, obtenue artificiellement (par exemple celle de la glace fondante (0). celle de l'air liquide -<B>180</B> , celle de l'hydrogène liquide 9'59 ).
Aux basses températures, la résistivité L 'lectrique étant plus faible, on pourra em ployer pour une même section du couple une plus grande densité de courant, ou pour une même densité de courant. une section plus faible des conducteurs. Ces massifs pourront être calculés d'après les cornduetibilités élec triques et thermiques que possèdent les mé taux dont ils sont constitués dans la région de température à laquelle ils sont destinés.
Pour les grands massifs, dont la dénivel lation totale ira de la température atmos phérique aux très basses températures, la hauteur du massif, la progression de sa sec tion, la répartition ides soudures froides, aux différents niveaux, seront calculées d'après les conductibilités électriques et thermiques que possèdent les métaux des couples aux di verses températures traversées par le massif.
Pour la construction des massifs frigo rigènes, on choisira. des couples dont les di verses caractéristiques permettront d'obtenir le maximum de frigories. Ce seront ceux qui joindront à un effet Peltier énergique une conductibilité thermique faible et une résistivité électrique faible. On pourra par exemple employer comme métal négatif des alliages de bismuth et d'antimoine, des al liages de nickel et de cuivre, etc.; comme mé tal positif, de l'antimoine, des alliages d'an timoine et de zinc ou d'antimoine et de cad mium, des alliages de fer, ete.
La matière isolante -qui sépare les cou ples et qui dans la partie non active du mas sif remplira les intervalles entre le massif et l'enceinte sera généralement solide. Les subs tances les plus variées pourront être em ployées.
L'isolant pourra. aussi être un liquide, mais à la condition que les interstices entre les couples soient suffisamment petits (tout au moins dans la portion du massif où se produit la dénivellation par conductibilité thermique) ; de manière à éviter les courants de convection tendant à égaliser les tempé ratures de l'extrémité la plus froide à l'ex trémité la moins froide du massif.
Le courant employé sera. du courant con tinu ou du courant redressé. Sa densité va riera avec la nature du couple, le nombre de frigories à obtenir, la disposition des couples dans le massif, etc. Les divers couples d'un massif pourront être associés tous en série ou tous en paral lèle, ou en séries parallèles, ou même partiel lement en série et partiellement en parallèle.
Pour les petits appareils, la paroi isolante de la chambre froide pourra être une double paroi avec vide intermédiaire comme dans le système des récipients Dewar. Elle pourra aussi être une. double paroi métallique polie avec matelas d'air, comme dans les calori- mètres.
Pour les grands appareils, on pourra em ployer les matières isolantes industrielles. On peut aussi, en renversant le sens du courant, avoir de la chaleur aux soudures où, par les dispositions précédemment indi quées, on produit généralement le froid.
On peut ainsi avoir des appareils qui, par un renversement du sens du courant, produi sent à volonté une température d'un certain nombre de degrés au-dessus ou au-dessous de la température ambiante.
Apparatus for the production of cold by means of the Peltier effect. The purpose of the. The present invention is the use of the electro-refrigeration phenomenon, known as the Peltier effect, for the so-called cold production and construction of refrigerants.
In this method of producing cold by electric current, the refrigerant which consists in the welding of two different conductive bodies does not undergo any change in physical or chemical state. There is no movement of 1 st. The devices are completely static. There is no. no moving part.
Various devices have already been proposed for using the Peltier effect. The provisions ilue we describe below give the means of greatly improving the cooling efficiency of this effect.
The cold produced at the welds by the Peltier effect is proportional to the intensity of the vourant. Furthermore, as a result of the Joule effect, the current produces, throughout the circuit, heat in proportion to the square of its intensity. Finally, the welds which alternate with the cold welds heat up by a reverse Peltier effect.
To use Peltier cold, the refrigerant pairs will include two distinct regions: that where the Peltier cold is concentrated, and that where the Joule and Peltier heats are dissipated in the ambient environment.
In the cold region, you should: <B> 1.0 </B> Reduce the Joule heat as much as possible, which tends to mask the Peltier cold.
? o Attenuate losses by thermal conductivity through the conductors, losses which reduce the temperature drop at the cold weld.
<B> 30 </B> Avoid losses by radiation and: convection.
In the hot region, it is necessary to: Promote the radiation and convection of Joule and Peltier heat in the ambient environment and prevent their propagation by thermal conductivity and convection on the side of the cold region.
-These various arrangements, combined with the best current adjustment, allow the use of the Peltier effect to polish the continuous production of cold.
The appended drawing shows schematically, by way of examples, various embodiments of the apparatus according to the present invention which we classify into two categories: I. Those in which all the welds serve to cool a given space, with the solid, liquid and gaseous substances therein.
-II. Those where cold is used only for a part of the welds, the other hard welds serving only to absorb the Joule heat and to cool the couples over a greater length so as to obtain a lower temperature at the sou hard used.
<I> First category. </I> Fig. 1 represents the longitudinal section of a frigori gene couple; Figs. 2 and 3 are a longitudinal section and a plan view, respectively, of a single-torque demonstration apparatus; Figs. 4 and 5 are a longitudinal section and a cross section of a multi-torque apparatus where the hot region is cooled by air; Fig. 6 shows the longitudinal section of a refrigerant with multiple pairs, the hot region of which is cooled by air and by water;
Figs. 7 and 8 show the longitudinal section and the plan view of an apparatus with multiple pairs where the hot region is cooled by water in a different arrangement from the previous one; Second category. Figs. 9 and 10 are respectively a longitudinal section and a transverse section of a stepped sound apparatus of which FIG. 11 is the chi massive refrigerant perspective view;
Figs. 12 and 13 relate to the section and the perspective view of a massif formed of a large number of floors; Fig. 14 shows in perspective a mas sif whose welds are spiral; Fig. 15 <B> - </B> shows the development of this spiral;
Figs. 16; <B> 17 </B> and 1b respectively show a schematic longitudinal section, a plan view with partial transverse section and a perspective view of a block whose refrigerant centers are outside and inside the massif; Figs. 19 and 20 show schematically longitudinal sections of two flattened mas sifs, one of which all the welds are external, the other of which the welds are one internal, the other external; Fig. 21 is a schematic section showing. the three regions of a multi-storey massif;
Fig. \? 2 is the, schematic section of an apparatus with, stages whose welds are immersed in a liquid at each stage: FIG. 23 is a section through a stepped apparatus into which each floor plunges. in the liquid contained in an insulating enclosure surrounding the enclosure of the previous stage; Fig. 24 is a perspective view of a cold room in which several stepped beds end.
Husband all these figures, we used the same figures to represent the same organs.
Example <I> Î </I> Fig. 1. shows the section of an apparatus (the demonstration constitutes> by a single ooupl.e. This couple is formed of a tubular conductor. In bismuth alloy 1 surrounding a cylindrical conductor in antimony 2. The skies eonduetPnrs isolated one of the other along their entire length have contact only at the base where the cylinder of antimony widens and where it is, welded directly to the tube of bis- mntb.
t1 the, iiiitre end, each conductor is welded respectively to a cui vre plate 3 and 4, carrying the corresponding socket -de current. The cold junction is immersed in a liquid to be cooled contained in a Pewar 5 tube. The distance between the cold junction and the hot welds is sufficient to prevent the. heat produced at. the latter to propagate by thermal conductivity in the. cold region of the couple.
<I> Example II </I> Figs. 2 and 3 relate to a demonstration apparatus comprising a single pair formed of two different metals: a cylindrical vertical conductor 2, in anti-monk, for example, surrounded by a tubular conductor 1 made of bismuth alloy.
These two conductors insulated from each other over their entire length only have contact at the base where they are welded together by a copper plate 6 which joins the two conductors. The horizontal part which runs along the two conductors at the top forms a disc in two unequal sectors, the larger one corresponding to the bismuth. Each of these two sectors, which is pierced with holes to activate convection, carries a current socket 7 respectively 8.
The weld and its vicinity are immersed in a liquid to be cooled, contained in a Dewar 5 vessel.
The sockets 7 and 8 being respectively connected to the poles -4- and - of a direct current generator. a current is established, going from bismuth to antimony passing through the solder which, on cooling by the Peltier effect, lowers the temperature of the liquid. The Dewar vessel, the walls of which are insulating, constitutes the cold room of the appliance.
The Peltier heat (effect: inverse Peltier) developed at terminals 7 and 8, as well as the -Joule heat produced in the conductors: dissipated in large part by the upper sections, of which the large surfaces are favorable cooling.
In these two devices, as in all those whose description will follow, the sections of the two metals have been defined in such a way that the surfaces of these sections are clan:
the same ratio as the resistivities of the (leiix metals, essential condition to attenuate as much as possible the Joule heat and the losses by thermal conductivity, and consequently, to obtain the best drop in temperature or the maximum of frigorie: at soldering However, it is possible, depending on the metals used and depending on the length of the cold region used, to increase or decrease by up to about 10% the section of the more resistant of the two metals, the total section of the couple remaining the same.
The section of the torque naturally depends on the intensity of the current flowing it. by short. The cross-section of the metals forming a couple may have the most diverse shapes: circular, square, rectangular, crown-shaped, segment, ctc. The conductors will thus form cylindrical bars at. whole or fragmented section, square or rectangular bars, sheets, tapes, threads, tubes with whole or fragmented section.
Both metals can also be applied by any metallization pro <B> c </B>. </B> on one side of a sheet of paper or fabric. The two metals of a couple can be placed one in front of the other, one next to the other, or one around the other.
Several -couples can be juxtaposed: thus forming metallic mass of circular or polygonal section having a certain height and one of the bases of which contains the refrigerant welds.
Example <I> III </I> Figs. -1 and 5 represent a multi-torque refrigeration.
The pairs arranged radially and superposed are each formed of a piece of anti-monk 2 placed between two groups of two pieces 1 of bismuth alloy. These five plates isolated from the others are soldered at the cold end to a strip of copper 6l. The center of the apparatus is occupied by a glass tube 11, containing the liquid to be cooled. The metal plates are full up to. some distance from the center. This is the cold zone.
Externally, they are pierced with holes which promote the convection of Joule heat in the ambient environment. Between the pairs, radially and longitudinally, is a filling of suitable insulating material 9 which stops radially at the beginning of the. perforated part of the metal plates. Two discs consisting of the. same insulating material, or any other, cover one the top, the other the bottom of the central part of the apparatus.
The couples composing this device are connected to each other in series by copper plates 10, welded to the metals; the surface of these copper plates is sufficient to activate the dissipation in the ambient medium (the Peltier heat which develops at these welds.
<I> Example IV </I> Fig. 6 is a longitudinal section of a multiple-torque device, the hot welds of which in this device are cooled. couples by 1, 2 water. are in the shape of an inverted U,
soldered at the cold end to a copper strip 6.
The cold region forms a central ring immersed in an insulating vessel 5 containing an unfreezable liquid which surrounds a plate 11 in which the liquid to be cooled is located.
The radiant part of the pairs consists of the horizontal portion of the U, followed by a vertical portion immersed in a water tank 12, or other liquid whose convection currents remove the heat produced around the metals. The whole radiating part is pierced with holes to make it easier. eonvection.
<I> Example V </I> Figs. 7 and 8 respectively show a longitudinal section of a multi-torque device including the. hot region is cooled by water or another liquid, and a cross section of the group ment couples.
The pairs 1, 2 of this d1-shaped apparatus have a vertical part which is the cold region, and a horizontal part pierced with holes which is the radiating region.
The horizontal part is. at the base of the device and plunges into a water tank 12. On the vertical part is placed, resting on the copper plates 6, which constitute the welds, a vessel 5, containing a liquid to be cooled.
The cold region is completely covered with an insulating bell 13.
The pairs are connected to each other in series by conductors 10.
With a refrigerant couple or a bundle of couples in which all the welds are in the same plane or in the same surface perpendicular to the. direction of the conductors, a certain temperature drop cannot be exceeded (10 to 11 with the most energetic torques).
This is explained by the losses due to thermal conductivity which cannot be avoided and by the fact that it is not possible to exceed a certain current density because of the. Joule heat.
To obtain a greater cooling at the welds of a couple or a bundle of refrigerant couples, it is necessary to increase the length of the cold region (the conductors, and, consequently, to absorb the Joule heat over a greater length.
Example <I> VI </I> Figs. 9. 10 and <B> Il </B> show an apparatus which makes it possible to achieve this result. In this apparatus, the conductors 1 and 2 of the first pair or bundle of pairs are turned by a second bundle of shorter pairs 1 'and 2', the welds 6 'of which are at a certain point. distance of the welds f, from the first beam.
The conductors 1 'and 2' of the second bundle will themselves be surrounded by a third bundle of pairs 1 "and 2" whose :: welds 6 "will stop at a certain distance between welds 6 'of the second bundle, and so (the continuation.
In this way, a solid metal is formed, the number of stages of which is greater the greater the greater the difference in temperature to be obtained.
The heat produced in the pairs by the Joule effect is absorbed by the cold welds at the different levels and that produced by the reverse Peltier effect is dissipated by wings 15, 15 ', 15 ", 15'", perforated, and plunging into the frequently re-new water of a lower basin 19 on the bottom of which the solid mass rests without electrical contact.
An insulating envelope 13 surrounds the positive dis so as to form at its upper part a cold chamber 16 covered with a cover 14. The low temperature of the chamber is maintained by all of the cold welds 6. All the other parts. hard 6 ', 6 ", 6"' are calorically insulated by an appropriate insulating mass 9 which the envelope 3 contains around the middle portion, so as to avoid the convection which would tend. at. equalize the temperatures in the direction of the height of the massif and consequently reduce the total difference in level. The pairs are connected to each other in series or in parallel series as shown in fig. 10.
The total section of a block and the section or number of welds at a given level increase with increasing distance from the longest pair (or bundle of couples), according to a proportion calculated so as to absorb Joule heat at various levels to protect against radiation losses. (reduced to a minimum by the insulating enclosure) and give a sufficient number of frigories to reach the permanent regime. in a given time.
The temperature, like the section, decreases from the large base to the small base of the bed. The temperature distribution according to the height of the mass is established solely by thermal conductivity.
The auxiliary welds, intended to cool the conductors of the solid mass, may be all outside on the lateral surfaces of the solid mass or else they will be either outside or outside. inside the massif.
In the latter case, certain portions of the conductors, instead of being parallel to the axis of the mass, may form an angle with this axis or follow curved lines. Arrangements can be very varied.
The shape of the section of the massif may be circular, elliptical, polygonal, flattened, etc. The section of the couples constituting the mass may also have the most varied shapes.
Example <I> V11 </I> Figs. 12 and 13 relate to a mas sif formed by a large number of stages, all of the refrigerating centers of which are external.
The central beam is cylindrical with a circular section. The pairs terminated by the auxiliary welds are juxtaposed in the form of increasingly shorter concentric rings around the central beam. The floors are equidistant, the width of the rings increases from the small to the large base of the massif, in a given proportion.
In this example, the total section of a story is equal to one and a third that of the previous story. The rings can also all have the same width. In this case, the distance between each storey will decrease from the small to the large base of the massif.
<I> Example V111 </I> Instead of forming floors (staircase), the welds can form a spiral (fig. 14) whose development is shown in fig. 15. The section of the massif increases imperceptibly. The spiral strip formed by the juxtaposition of the pairs has, in this example, the same thickness everywhere. 'The turns approach from the small to the large base of the massif. The turns could also be equidistant; in this case, the thickness of the spiral strip would gradually increase.
<I> Example IX </I> Figs. 16 to 18 represent an embodiment with exterior and interior refrigeration centers. This example comprises a set of pairs consisting of a series of funnels with a curved surface electrically insulated and nested one inside the other so as to form a solid mass. Each funnel is made up of pairs in the form of ribbons. As shown in fig. 18, these ribbons are arranged so that the welds form a number of zigzag lines on the surface of each funnel. The funnels are arranged one inside the other so that the weld lines do not overlap.
They are shifted from one funnel to another to ensure a better distribution of the refrigerant centers in the massif.
<I> Example X </I> The couples terminated by the welds, all external, may, as shown in fig. 19, have the. leaf or blade shape.
The central pairs of which we want to use the cold form in this example a certain number of juxtaposed sheets as in a book. On both sides of the central bundle are juxtaposed shorter leaves, the number (or thickness) of which will increase and the length will decrease. as we move away from the central welds.
We could also, as in fig. 20. insert shorter sheets into the bed, .between longer sheets, so as to distribute the refrigerant centers throughout the thickness of the bed.
From the point of view of their use, the refrigerants with staged welds can be divided into three regions cc, <I> b, </I> and c as shown in fig. 21.
The region a is where. the cold is used at the narrow base of the massif, it is located in an enclosure which prevents radiation to the outside as much as possible. Inside this enclosure, it is possible, by various artifices, to promote the radiation and convection of the cold produced. For example, by separating the couples or by targeting their surface, by providing the surface of the couples with metal parts 18 with large surfaces and very conductive, the cold end of the blocks can also be immersed in a liquid contained in a container in which it will be cooled and which will present a large surface area for radiation.
The cooled liquid can also circulate in pipes in communication with. the container and lining the walls of the enclosure, etc.
Region b, where thermal conductivity is used to produce a greater drop in temperature, is also placed in an enclosure preventing radiation to the outside.
In this region, the gap between the pairs and between the bed and the enclosure will generally be filled with a solid insulating substance preventing any convection.
The third region is where the radiation and convection with the outside are favored by various devices.
In this region, the pairs will flourish outside the massif and will move away from each other, their section may be increased, their surface of radiation increased by dividing them, by piercing trolls in their thickness, by fitting them with fins, etc. The couples can also be cooled by circulating liquids.
This region will include. also, most often, the welds where eha = their occurs by the phenomenon of Peltier, the current passing from the positive metal to the negative metal.
. If it is desired to use the heat produced at these welds, they will be placed in a heat-insulating enclosure; they will then form the fourth region of the massif: the hot region.
In some devices, liquid convection can be used to equalize, in the horizontal direction (perpendicular to the axis of the mass), the temperatures of different stages, as shown in fig. 22, by interrupting the insulating material at determined levels and replacing it with a liquid 22 circulating in the interstices between the pairs or in the channels crossing the mass. - In other devices, as in fig. <B> 23, </B> each stage may have an insulating enclosure around which the liquid cooled by the welds of the upper stage will circulate.
A better cooling is thus obtained (17 to. <B> 18 '</B> with energetic torques for two-stage devices).
The last fig. 24 is a view of a cold room 19, in which several stepped solid masses 20 end, embedded in an insulating material 9. The cold welds are immersed in an unfreezable liquid 21 contained in a basin whose bottom, forming one of the walls of the cold room, rib door facilitating convection.
In all the devices described above, here two metals of a couple are welded at one of their ends and from there electrically isolated and juxtaposed over part of their path.
The two metals of a couple will also be able. at. from the weld where the cold is used. be an extension of each other or form an angle with each other. In this case, the conductors will exit at two different points of the insulating enclosure.
Several couples presenting this provision can be associated and grouped together in rliicane if their sections are different. Each of the two conductors or bundles of conductors ending in the cold welds may be surrounded by stepped auxiliary welds to increase the temperature drop.
The metal blocks can be used at various temperatures, that is to say they can be either in a place at atmospheric temperature. or in a lower temperature environment, obtained artificially (for example that of melting ice (0). that of liquid air - <B> 180 </B>, that of liquid hydrogen 9'59).
At low temperatures, the resistivity of the electric being weaker, a greater current density can be used for the same section of the couple, or for the same current density. a smaller cross section of the conductors. These massifs can be calculated according to the electrical and thermal cornduetibilities possessed by the metals of which they are constituted in the temperature region for which they are intended.
For large massifs, for which the total difference in level will go from atmospheric temperature to very low temperatures, the height of the massif, the progression of its section, the distribution of cold welds, at the different levels, will be calculated according to the conductivity electric and thermal possessed by the metals of the couples at the various temperatures crossed by the massif.
For the construction of the Rigène fridge beds, we will choose. couples whose various characteristics will make it possible to obtain the maximum of frigories. These will be those which will combine a weak thermal conductivity and a weak electrical resistivity with an energetic Peltier effect. It is possible, for example, to use as negative metal alloys of bismuth and antimony, alloys of nickel and copper, etc .; as positive metal, antimony, alloys of antimony and zinc or antimony and cad mium, alloys of iron, ete.
The insulating material - which separates the necks and which in the non-active part of the mass will fill the gaps between the mass and the enclosure will generally be solid. The most varied substances can be used.
The insulation can. also be a liquid, but on condition that the interstices between the pairs are sufficiently small (at least in the portion of the massif where the difference in level occurs by thermal conductivity); so as to avoid convection currents tending to equalize the temperatures from the coldest end to the less cold end of the massif.
The current used will be. direct current or rectified current. Its density will vary with the nature of the couple, the number of frigories to be obtained, the arrangement of the couples in the massif, etc. The various couples of a bed can be associated all in series or all in parallel, or in parallel series, or even partially in series and partially in parallel.
For small appliances, the insulating wall of the cold room can be a double wall with an intermediate vacuum, as in the Dewar container system. It could also be one. double polished metal wall with air mattress, as in calorimeters.
For large devices, industrial insulating materials can be used. It is also possible, by reversing the direction of the current, to have heat at the welds where, by the arrangements previously indicated, cold is generally produced.
It is thus possible to have apparatus which, by a reversal of the direction of the current, produces at will a temperature of a certain number of degrees above or below the ambient temperature.