CH413018A - Thermoelektrischer Generator - Google Patents

Description

      Thermoelektrischer    Generator    Die     Erfindung    bezieht sich auf einen     thermoelektri-          schen    Generator.  



       Thermoelektrische    Einrichtungen mit     Thermoele-          menten,    die eine Schicht auf einem dünnen, flexiblen,  isolierenden Film oder Bandträger haben, ergeben die  Vorteile eines geräuschlosen und unterhaltsfreien Be  triebes sowie grosse Freiheit in der     Wahl    der Abmes  sungen und des Gewichtes für spezielle Verwendungs  zwecke.

   Diese     Thermoelemente    haben zahlreiche Vor  teile gegenüber     geschweissten    oder gelöteten Einheiten  mit beispielsweise relativ massiven Elementen mit  Stangen oder Drähten, oder solche in welchen die       thermoelektrischen        Materialien    auf isolierenden Fa  sern oder Streifen abgelagert waren.

   Die allgemeine  Anwendung von     Thermoelementen    zu Kühlzwecke  oder zur Erzeugung von Strom war jedoch behindert  teilweise durch die hohen Fabrikationskosten, da sol  che     Thermoelemente    mit den bisherigen Herstellungs  methoden schwierig anzufertigen waren, um den ge  wünschten kompakten Aufbau zu erhalten sowie in  folge des geringen Wirkungsgrades der relativ teuren       thermoelektrischen    Materialien.  



  Es     wurden    bereits Anstrengungen gemacht, diese  Schwierigkeiten durch Änderungen der Formgebung  zu vermeiden und die Verbindungen automatisch aus  Drähten oder Stangen herzustellen oder in Bädern  eine Anzahl von Verbindungen von mit nichtleiten  den Fasern zu erzeugen. Die Herstellungsmethoden  zur Erzeugung von fertigen Elementen der gewünsch  ten Form liessen sich jedoch nicht vollständig auto  matisieren.  



  Es wurde auch schon versucht,     Thermoelemente     auf isolierenden Filmen oder Streifen herzustellen, in  welchem die warmen und kalten Verbindungen ent  lang gegenüberliegenden Kanten des Streifens ange-    ordnet waren, wobei die Verbindung mit     Leiterei    ent  lang eines     Zick-Zack-Weges    erfolgte. Diese Anord  nungen erlaubten     keine    maximale     Ausnützung    der  Streifenoberfläche, um ein Maximum an elektrischer  Leitfähigkeit verbunden mit geringer thermischer Leit  fähigkeit zu erzeugen und die     bestmögliche    Sicherung  gegen Störungen zu erhalten.

   Bestenfalls gelang es,  die Herstellung der Verbindungen und die Anferti  gung des fertigen Elementes getrennt zu erzeugen, was  eine nicht zu gute Voraussetzung für eine automatische  Erzeugung bot.  



  Filmförmige Träger erleichtern zwar die Anwen  dung von Halbleitermaterialien; diese     Materialien    er  füllen zwar die elektrischen und thermalen Anfor  derungen recht gut, sind jedoch mechanisch weniger  widerstandsfähig als Metalle.  



  Die thermische Leitfähigkeit eines Filmträgers zur  Erhöhung der mechanischen     Widerstansfähigkeit    kann  anderseits     aber,so    erheblich sein, dass der vorteilhafte       Effekt    der Halbleiter aufgehoben wird,     wenn    der Trä  gerfilm wesentlich dicker als die Halbleiterschicht ge  macht wird. Ferner besteht die Tendenz, dass die  Schicht leicht bricht und die elektrische Verbindung  unterbrochen wird, wenn die Dicke der Halbleiter  schicht dicker als diejenige des Träger ist.  



  Die Erfindung ist gekennzeichnet durch ein dünne,       elektrisch        nichtleitende    Basis, eine     Mehrzahl    vonein  ander getrennter auf dieser Basis aufgebrachter Schich  ten aus zwei ungleichen     thermoelektrischen    Materia  lien, Leitermittel um die Schichten zu einer     thermo-          elektrischen    Serie zu verbinden, wobei die Schichten  und die Leitermittel im wesentlichen die ganze Flä  che mindestens einer Seite der Basis bedecken, und  das Verhältnis der Dicke der Schichten zur Dicke der      Basis in der Grösse von etwa 5 : 1 bis 0,3 : 1 liegt, bei  einer maximalen Schichtdicke von 0,05 mm.  



  In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des       Erfindungsgegenstandes    dargestellt.  



       Fig.    1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine  vereinfachte Ansicht eines     Thermoelementes    vor     sei-          iier    Faltung,       Fig.        2,ist    ein gefalteter     thermoelektrischer    Genera  tor,       Fig.    3 ist eine perspektivische Ansicht eines mit  10 Falten versehenen     thermoelektrischen    Generators,       Fig.    4 ist ein Querschnitt durch gefaltete     Thermo-          elemente    gemäss     Fig.    3,

         Fig.    5 ist eine vereinfachte Darstellung einer     ther-          moelektrischen        Kühleinrichtung    mit     kaskadenartig    an  geordneten     Thermoelementen    gemäss     Fig.    3,       Fig.    6 ist eine schematische Darstellung eines Aus  schnittes aus     Thermoelementen    einer Ausführungsva  riante,       Fig.    7 ist eine spiegelbildliche     Darstellung    der  gegenüberliegenden Fläche der     Thermoelemente    in       Fig.    6,

         Fig.    8 ist ein Querschnitt durch     Thermoelemente     nach der Linie     a-a    in     Fig.    6,       Fig.    9 ist eine schematische Ansicht von zwei Sei  ten einer bevorzugten     Ausführungsvariante    von     Ther-          moelementen,          Fig.    10 ist eine perspektivische Ansicht eines     ther-          moelektrischen    Generators in     Spulenform,    welche eine  bevorzugte Ausführungsform ist,

         Fig.    11 ist eine perspektivische Darstellung einer       fertigen    Kühleinrichtung unter Anwendung von     spu-          lenförmigen        Thermoelementen.     



  Der Mangel an Erfolg bei den bisher bekanntge  wordenen     Thermoelementen,    welche Isolationsträger  verwenden, kann durch einige der Parameter erklärt  werden, welche einen hohen Wirkungsgrad ermögli  chen. Diese Parameter sind für die Erzielung von  hohen Leitungen bzw. zur Anwendung des     Peltier-          Effektes    zur Kühlung wichtig.

   Die wichtigsten Merk  male, die zu berücksichtigen sind, bestehen in der  Dicke der     thermoelektrischen        Schicht    des leitfähigen       Kupplungs-Streifmateriales    unter Berücksichtigung  der Dicke der Auflage und der Form oder dem     Aus-          mass    der Bedeckung dieses     leitfähigen    Materiales auf  dem Träger.  



  Es wurde festgestellt, dass     gewisse    Grenzen bei die  sen Parametern eingehalten werden müssen, wenn die  Vorteile von     Filmträger-Thermoelementen    voll ausge  nützt werden sollen. Diese Vorteile bewirken ausser  der relativ einfachen Fabrikation von     aneinanderge-          fügten    Elementen eine gute mechanische Flexibilität,  was wiederum eine praktisch geeignete Formgebung  ermöglicht. Die Forderung nach Flexibilität bewirkt  bestimmte Grenzen bezüglich der den Wirkungsgrad  bestimmenden Parameter.

   Die Abhängigkeit des Wir  kungsgrades von den Parametern wird dargestellt  durch den     Leistungs-Koeffizient    C, welcher das Ver-         hältnis    zwischen der Wärmeerzeugung (Q) im Ver  hältnis zur Energiezufuhr (w) darstellt:  
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    Die gegenseitige Abhängigkeit der Parameter, wel  che diese variablen Grössen darstellen, erklären die  Schwierigkeit, einen maximalen Wirkungsgrad zu er  halten:  
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    in dieser Formel sind:

    S =     thermoelektrische    Spannung in Volt /  K  I = Stromstärke in Ampere  To = Temperatur der kalten Verbindungsstelle  K       AT    = Temperaturdifferenz zwischen warmer und  kalter Verbindungsstelle in  K  K = Wärmeleitfähigkeit des Streifens in Watt. cm  /  K  L = Länge des     thermoelektrischen    Streifens in cm  O =     thermoelektrische    Kraft in Volt  = elektrischer Widerstand in Ohm . cm  A =     Querschnittsfläche    des Streifens in cm=.  



  Da die Änderungen der Grösse dieser Parameter  in einem Element komplizierte Auswirkungen des  Wirkungsgrades haben, kann der bevorzugte Grenz  bereich nicht klar zum voraus bestimmt werden. Die  se Parameter müssen deshalb in Berücksichtigung mit  andern Erfordernissen, beispielsweise     mechanischen     Anforderungen     optimalisiert    werden.  



  Das     hauptsächlichste    Hindernis bei der Verwen  dung von nichtelektrischen Elementen bei den     thermo-          elektrischen    Streifen besteht im Beitrag von nicht  elektrischen Komponenten beim     Wärmefluss    entlang  der Streifen zwischen den warmen und kalten Ver  bindungsstellen. Dies ist ersichtlich aus den negativen  Werten  
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    der Gleichung, welche das Verhältnis der Wärmeab  fuhr bei der kalten Verbindungsstelle bezeichnet. Die  ser     Wärmeleitfähigkeits-Wert    ist ein Bruttoeffekt und  enthält die     Leitfähigkeit    sowohl der elektrisch leiten  den Teile des Streifens als auch diejenigen des Film  trägers.

   Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffilmen  liegt in der Grössenordnung von 3 bis 50% desjenigen  von     Halbleitermaterial,    welche die     bevorzugten    Ma  terialien für     thermoelektrische    Elemente sind, und un  gefähr 0,1% von Metallen, beispielsweise Kupfer. Um  somit den  Rückfluss  von Wärme möglichst gering  zu halten, wird das Verhältnis der Dicke des Träger-           filmes    zur Dicke der elektrischen Leiter so     klein    als  möglich gehalten.

   Die absolute Grösse der Dicke der  leitenden Schicht auf dem Film und die minimale  Dicke des Filmes sind jedoch durch     mechanische     Gegebenheiten     begrenzt.    Somit hat die     Filmdicke        eine     optimale Grösse, welche von     thermischen    Faktoren,  durch die Dicke der     thermoelektrischen    Schicht be  stimmt wird und einem Minimum, welches durch me  chanische Anforderungen, wie nachfolgend erläutert  wird, bestimmt wird.

   Die     thermoelektrische    Schicht  hat ebenfalls eine optimale Dicke, welche durch me  chanische Gegebenheiten und eine minimale     effektive     Dicke, welche durch die Dicke des Trägerfilmes auf  der Basis von thermischen Werten bestimmt wird. Da  durch besteht eine gegenseitige Abhängigkeit zwischen  der Dicke der Beschichtung und derjenigen des Trä  gers.  



  Es wurde festgestellt, dass zur Erzielung eines  hohen Wirkungsgrades das Verhältnis der Dicke der       Beschichtungsfläche    auf dem Basisfilm zur Dicke des  Basisfilmes selbst im     Verhältnis    von 5 : 1 bis 0,3 : 1  liegen muss, während die Dicke der Basis sich von  etwa 0,0025 - 0,05 mm erstrecken kann. Die Dicke  des     thermoelektrischen    Materials kann sich von etwa  0,008 - 0,05 mm erstrecken, wobei das Verhältnis von  5 : 1 bis 0,3 : 1 ist.

   Schichten von ungleichem     thermo-          elektrischem    Material von     Diaken    in der     Grössenord-          nung    von 0,0012 - 0,025 mm, welche auf eine Film  basis von etwa 0,0063 mm aufgebracht wurden, zei  gen, dass die Dicke in der     Grössenordnung    von über  0,025 mm häufig Ablösungen und Schichtbrüche  bei oder nahe der Faltlinie ergeben, wenn  diese Elemente gefaltet werden. Um das Bre  chen oder Ablösen dieser dickeren Schichten zu ver  meiden, werden dünne Filme verwendet, um das Ver  hältnis von Schichtdicke zur Filmdicke hochzuhalten.  



  Auch bei den stabilen     biaxial    orientierten     Poly-          äthylenterephthalat-Filmen    entstehen beim Falten  öfters Brüche und werden dadurch unbrauchbar, wo  bei die Filmdicke unter 0,0025 mm und die Schicht  dicke von Wismut und Antimon über 0,0125 mm liegt,  beispielsweise 0,015 mm ist. Gleiche Schichten dieser  Materialien auf einem Film von 0,0037 mm, bei wel  chem die     Schichtdicke    grösser als 0,025 mm lag,  brachen ebenfalls häufig und waren unbrauchbar.

   Da  diese Metalle ebenso dehnbar sind wie die üblicher  weise verwendeten     thermoelektrischen    Materialien,  liegt die obere Grenze des Verhältnisses der Dicke  der Schicht zur Dicke des Trägers in der     Grössen-          ordnung    von 5 : 1. Elemente, welche ausserhalb dieser  Grenzen liegen, sind verwendungsfähig, aber     un-          zweckmässig.     



  Ausser den Grenzen bezüglich der Dicke der  Schicht und des Trägers ist eine weitere Grenze durch  die Form der Schicht auf dem Träger gegeben. Diese  Grenze liegt zum Teil darin,     dass    die mechanischen  Grenzwerte der Dicke der Schicht und der Anforde  rung für einen minimal     elektrischen    Widerstand ge  geben sind. Bei früheren     Thermoelementen    wurde eine       thermoelektrische    und eine leitfähige Schicht verwen-         det    :in Form von kurzen Wegen     (Zick-Zack-Weg)    auf  dem Film.

   Um die notwendige thermische und elek  trische     Leitfähigkeit        sicherzustellen,    muss die Dicke  der Schicht auf diesem Pfad dicker sein, als wenn die  ganze Oberfläche mit leitfähigem     Material    beschichtet  wäre. Somit ist der Beitrag des     Filmträgers    zur ther  mischen Leitfähigkeit des Streifens
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   in der  Gleichung) wesentlich höher als für     Elemente,    in wel  chen das     thermoelektrische    Material und der     leit-          fähigeVerbindungsstreifenbeispielsweise        ausMetalldie     ganze Oberfläche des Filmes bedecken.

   Bei dem in       Fig.    1     dargestellten    Ausführungsbeispiel wird der     Film     durch Vakuumverdampfung     metallisiert,    und zwar in  der Weise, dass abwechslungsweise einander über  lappende Streifen 2 und 3 mit quer zur     Filmlängsachse     liegenden Verbindungslinien 4-5, bzw. 4', 5' aus Ma  terialien mit unterschiedlichem,     thermoelektrischem     Potential erzeugt werden.

   Der Streifen 2 besteht aus  Antimon und der Streifen 3 aus Wismut; es könnten  jedoch auch andere Materialien mit     grossem        thermo-          elektrischen    Potential,     beispielsweise    Silicium, zusam  men mit einem der oben     erwähnten        Materialien    ver  wendet werden. Die wechselweise auf den Film liegen  den Materialschichten können auch Halbleitermateria  lien sein, wie     Arsenide    oder     Wismuttellurid-Zusam-          mensetzungen,    welche so behandelt sind, dass ein  maximaler thermischer Wirkungsgrad erreichbar ist.  



  Der Filmträger ist elektrisch nichtleitend und be  steht vorzugsweise aus einem dünnen, organischen  polymeren Material, welches einen     Erwei:chungspunkt     hat, der oberhalb der     Temperatur    liegt, bei welcher  die warme Verbindungsstelle betriebsmässig verwen  det wird. Solche Filme enthalten Polyester,     Polyole-          fine,    Polyamine und polymere     Vinylverbindungen.     Für Kühlzwecke sind eine grosse Auswahl von Fil  men als Trägermaterial befriedigend, da die Tempera  tur der warmen Verbindungsstelle gut begrenzt wer  den     kann    oder angesammelte Wärme abgeleitet wer  den kann.

   Für die Anwendung zur Stromerzeugung  ist es sehr erwünscht, Energiequellen mit hohen Tem  peraturen verwenden zu können, um einen möglichst       hohen    Wirkungsgrad erreichen zu können. Die Tem  peraturen der warmen Verbindungsstelle ist hier vor  zugsweise höher als diejenige, bei welcher organische  Polymere widerstehen können, aus     welchen    die selbst  tragenden Filme im allgemeinen gemacht     werden.     Demzufolge ist es sehr     erwünscht,    einen Träger von  wärmebeständigen Polymeren zu     verwenden,

      beispiels  weise aus polymerem     Imid    der     Pyromeilit-Säure.    Die  Wahl des     thermoelektrischen        Materials    wird     ebenfalls     durch die obere Temperatur bestimmt, bei     welcher    das  Wärmeelement betrieben werden     :soll,    da einige der  niedrig schmelzenden Materialien, wie Wismut, sonst  unbrauchbar würden.

   Die     Filmoberfläche,        welche    ab  wechslungsweise überlappende Streifen aus     thermo-          elektrischen    Materialien aufweist, ist mit einer dün  nen Schicht aus     elektrisch    isolierendem Lack ver  sehen, um die     Metallschicht    vor mechanischen Be-      Schädigungen zu schützen und eine elektrische     Isolie-          rungsschicht    aufeinanderfolgenden Oberflächen der  elektrisch leitfähigen     Materialien    zu bewirken.

   Dieser  Lack enthält SO,     SiO2,        Ko:llodium,        kollodiales    Alu  miniumoxyd oder andere an sich bekannte     Isolier-          lacke.     



  Der Filmstreifen wird sodann entlang der unter  einander parallelen Verbindungslinien 4-4 gefaltet,       wobei    die ungleichen     thermoelektrischen    Materialien  sich überlappen und hernach eine Form bilden, wie  sie in     Fig.    2 dargestellt ist. Der Abstand 4-4' und 5-5'  und die entsprechenden     Distanzen    bei sich folgenden  Elementen sind je gleich gross, so dass bei einem Zu  sammenklappen der in dieser     Weisegefalteten    Teile ein  gleichmässiger dreidimensionaler Körper mit gleichen       Oberflächen    entsteht. Eine solche Anordnung in Form  eines     Parallelepipedon    ist in     Fig.    3 gezeigt.

   Die Kante  4 auf der einen Seite ist die kalte Verbindungsstelle  und auf der gegenüberliegenden Seite ist die warme  Verbindungsstelle. An den äussersten Elementen sind  Drähte 6 und 7 befestigt, welche gestatten, diesen       thermoelektrischen    Generator an einen Stromkreis an  zuschliessen, welcher Gleichstrom liefert, wenn die       thermoelektrischen    Elemente zur     Kühlung    oder Hei  zung verwendet werden oder an einen elektrischen  Verbraucher oder Speicher, wenn die     Thermoelemente     zur Stromerzeugung oder für thermische Messungen  gebraucht werden.  



  Die     Intersektion    der abwechslungsweise vorhande  nen     thermoelektrischen    Materialien bilden abwechs  lungsweise     thermoelektrische    Verbindungsstellen, auch  Verbindungsbrücken genannt. Unter abwechslungs  weisen thermischen Verbindungsstellen wird verstan  den, dass bei jeder zweiten     thermoelektrischen    Ver  bindungslinie     ein    Übergang von Elektronen von einem  höheren auf ein tieferes Potential entsteht, verbunden  mit einem Wärmeeffekt;

   bei der andern     thermoelek-          trischen    Verbindungslinie dagegen entsteht ein     über-          gang    von Elektronen von einem niedrigeren zu     einem     höheren Potential, verbunden mit einem Kühleffekt.  



  Die gefalteten     Thermoelemente    gemäss den     Fig.    2  4 werden in der Weise     hergestellt,    dass alternative  Streifen aus Materialien mit unterschiedlichem     thermo-          elektrischem        Potential    auf eine     elektrisch        nichtleitende     Filmbasis aufgebracht werden, wobei die Verbindungs  linien der Materialien     parallel    verlaufen und unterein  ander gleich weit entfernt sind,

   wobei sich abwechs  lungsweise thermische     Verbindungsstellen    bilden .und  hernach der Film     entlang    diesen Verbindungsstellen  zur Erzeugung einer     Zick-Zack-Form    gefaltet wird.  



  Die Dicke des Filmträgers 1 gemäss     Fig.    4 be  stimmt den Wirkungsgrad des     Thermoelementes    aus  dem Ergebnis des thermischen Isoliereffektes des Fil  mes, welcher die Verbindung bei eingeschlossenem  Winkel 8 vom anliegenden     Wärmeübertragungsmittel     9 trennt, welches beispielsweise die Umgebungsluft,  ein guter thermischer Leiter wie ein     Metallkörper    oder  eine Flüssigkeit sein kann. Somit ist es erwünscht,  einen Trägerfilm zu verwenden, welcher dünn ist, d. h.  eine Dicke von 0,0025 - 0,025 mm hat.

   Aus diesem    Grunde soll der Isolierlack, welcher auf die     thermo-          elektrischen    Streifen 2 und 3 (in     Fig.    4 nicht darge  stellt) aufgetragen wird, von möglichst geringer Dicke  sein, um diese erwähnten Funktionen nicht zu stören,  d. h. seine Dicke soll etwa 0,00025 mm betragen.  



  Zur Herstellung eines solchen     thermoelektrischen     Bandes hat man die Wahl zwischen verschieden mög  lichen Verfahren, wobei jedes auf die     gewünschten     Eigenschaften und die verwendeten Materialien ab  gestimmt ist. Bei der Verdampfung von Metall o. an  deren     Materialien    im Vakuum wird das     thermoelektri-          sche    Material in Pigmentform auf einen Träger auf  gesprüht, oder bei einem Bedrucken des Materiales  wird eine Dispersion verwendet,     ähnlich    wie     beim     Besprühen.

   Das verwendete Verfahren richtet sich  nach der Zusammensetzung der verwendeten     thermo-          elektrischen    Materialien. Bei einfach zusammenge  setzten,     thermoelektrischen    Materialien,     beispielsweise     Antimon und Wismut, kann die Beschichtung gut  durch Vakuumverdampfung erfolgen, bei andern eher  erwünschten Materialien, beispielsweise bei Verbin  dungen von Elementen der 3., 4. und 5. Gruppe des  periodischen Systems, (beispielsweise     Wismuttellurid)     sind spezielle     Verdampfungsverfahren    notwendig. In  diesem Fall kann das Auftragen auch durch Auf  sprühen in     Dispersionsform    erfolgen.  



  Bei der Wahl des Verfahrens für die     thermoelek-          trische    Beschichtung des Filmes und der nachfolgen  den Faltung sind gewisse Bedingungen zu erfüllen:  1. die Schicht muss zusammenhängend und von  im wesentlichen gleichmässiger Stärke sein, so     dass     ein minimaler elektrischer Widerstand entsteht; 2. die  Schicht     muss    von einer solchen Dicke     zusammen    mit  einer derartigen Dehnbarkeit sein, dass sie der Fal  tung ohne Unterbruch der elektrischen Verbindung  widersteht;

   3. die abwechslungsweise aufgebrachten  Streifen aus ungleichen     thermoelektrischen    Materia  lien müssen gute elektrische Kontakte entlang paralle  ler Verbindungslinien ergeben, vorzugsweise recht  winklig zur Filmlänge; 4. die Faltstellen müssen mit  der Verbindungslinie zusammentreffen und ist von  besonderer Wichtigkeit, dass eine Zeitsteuerung von  kontinuierlichen     Zweischritt-Operationen    im Hinblick  auf mögliche Verlängerungen des     Filmes    erfolgt; 5.

    Einschlüsse in der     thermoelektrischen        Dispersion    zum  Besprühen oder Bedrucken müssen     sorgfältig    vermie  den werden und Partikel von     thermoelektrischen    Ma  terialien müssen in eine kompakte     zusammenhängende     Schicht umgewandelt werden,     ansonst    der höhere  elektrische Widerstand des     Thermoelementes    andere  Vorteile der Schicht aufhebt.  



  Im Hinblick auf diese Überlegungen sind die  gefalteten     Thermoelemente    in zwei Schritten herzu  stellen, nämlich Beschichtung und Faltung, wobei ver  schiedene Varianten innerhalb dieser Schritte möglich  sind.  



  Die Anfertigung     erfolgt    derart, dass ein konti  nuierlicher     Herstellungsprozess    möglich ist.  



  Ein     thermoelektrisches    Kühlaggregat gemäss     Fig.    5  zeigt die gefalteten Elemente gemäss den     Fig.    2-4. Ein      Streifen aus     Polyäthylenterephthalat    von 0,003 mm  Dicke wird durch Vakuumverdampfung mit einer  Schicht versehen mit sich leicht überlappenden, ab  wechslungsweise angeordneten,     querliegenden    Bändern  von 8 mm Breite und 'etwa 1     Mikron    Dicke aus        Z-met ,    welches durch     Wismut-Tellurit    der Firma  Merk     Sharpe    und     Dohme    substituiert     ist,

      zur Erzeu  gung von     thermoelektrischen    Materialien vom     p-Typ     und     n-Typ.    Die entstehenden Reihen von abwechs  lungsweisen     Thermoverbindungen    werden mit einer  dünnen Schicht eines     Acryl-Lackes    besprüht und bei  den Verbindungsstellen gefaltet zur Erzeugung von  2000 Verbindungspaaren. Vier derartige     Elemente     werden übereinander angeordnet zur     Erzeugung        kas-          kadenartiger        Thermoelemente,    wie dies aus     Fig.    5 her  vorgeht.

   Die Verbindung ist derart zusammengescho  ben, dass eine Dicke von etwa 51 mm entsteht, welche  in einem Rahmen oder Gestell angeordnet wird. Eine       Überlappung    von etwa 3 mm ist dabei vorgesehen.  Die vier     Thermoelemente    werden parallel     geschaltet     und an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Bei  200-220 Volt entsteht dabei eine Temperaturdifferenz  von 40 C zwischen der kalten und warmen Ober  fläche.

   Gemäss den     Fig.    6 - 8 ist ein flexibler     dielektri-          scher    Filmträger 11 vorhanden, auf dem auf der     einen     Seite     thermoelektrische    Materialschichten 12 aufge  bracht sind, welche vom     p-Typ    sind; auf der gegen  überliegenden Seite befinden sich     thermoelektrische     Materialschichten 13 vom     n-Typ.     



  Nachdem das     thermoelektrische    Material auf der       Oberfläche    aufgesprüht ist, wird der Film 11 und die       Schichten    12 und 13 in der Nähe der Kanten perfo  riert, und zwar durch gruppenweise     Perforierungen    14  und 15 an gegenüberliegenden Kanten des Filmes. In  der Zeichnung sind Gruppen von jeweils zwei Löchern  gezeichnet.

   Es wäre jedoch unter gewissen Bedingun  gen möglich, eine einzige Perforation oder eine     grös-          sere    Lochzahl vorzusehen.     DiesePerforierungen    werden  alsdann m14 einem Metall, leitfähiger Farbe, Lack oder  Bindemittel gefüllt, so dass eine elektrische leitfähige  Verbindung durch die     laminare    Struktur gemäss     Fig.     8 entsteht. Hierfür kann auch aufgedampftes Alu  minium oder eine leitfähige Silberfarbe verwendet  werden.  



  Nach der Perforierung und     Füllung    der Löcher mit  einem elektrisch leitfähigen Material erfolgt die Bil  dung von Nuten 16 und 17 im     thermoelektrischen    Ma  terial 12, 13 durch Abschleifen, Entfernung der  Maskierung, welche vor der Ablagerung angebracht  wurde oder in anderer     geeigneter    Weise um einen  Unterbruch im elektrischen Strompfad entlang der  Filmoberfläche zu bewirken und, um den elektrischen  Strom zu zwingen, einen Weg durch die mit leitfähi  gem Material gefüllten perforierten     öffnungen    zu fol  gen.  



  Die vorstehende Ausführungsform wurde mit leit  fähigem Material beschrieben, welches sich in den       Perforierungen    befindet, wobei in einer bevorzugten  Ausführungsform .leitfähige Streifen 18 aus Metall,  leitfähige Farbe u. dgl. zwischen zwei Flächen der       thermoelektrischen    Schicht und ihrer     entsprechenden       Seitenkante entsteht, wobei diese     parallel    zu den Kan  ten verlaufen und mit den Perforierungen in Verbin  dung stehen, so     dass    ein Strompfad mit geringem Wi  derstand entsteht.

   Es ist für den     leitfähigen        Streifen     wichtig, dass er durch die Nuten 16, 17 unterbrochen  ist, zur     Unterbrechung    des elektrischen Strompfades.  Der leitfähige Streifen 18     soll    aus einem Material von  grösserer elektrischen Leitfähigkeit bestehen,     beispiels-          weise    aus     Silber,        Aluminium    oder Nickel als die     ther-          moelektrische    Schicht, zur     Erzeugung    eines Strom  pfades mit geringem elektrischem Widerstand.  



  Der elektrische Strom fliesst von den Perforie  rungen     entlang    des Streifens und verteilt sich über die       thermoelektrische    Schicht, wie     dies    durch Pfeile 18a in  den     Fig.    6 und 7 angedeutet ist. Die Nuten 16 und 17  liegen     aufeinander        gegenüberliegenden    Seiten des  Filmträgers zueinander versetzt, so dass sich die     ther-          moelektrischen    Schichten überlappen.

   Der Filmträger  11 soll nicht über die Kante der elektrisch     leitfähigen          Schichtenhinausragen,    sondern     sollverhüten,    dass elek  trische Kurzschlüsse zwischen gegenüberliegenden  Flächen entstehen. Zur wirkungsvollen Auswertung  der     Streifen-Oberfläche    sollen die Nuten 16, 17 so  nahe als möglich beieinander liegen, insofern eine ge  nügende Isolation zwischen     benachbarten    Schichten       sichergestellt    ist.  



  Im Betrieb erfolgt die Stromzufuhr an der mit dem  Pfeil 19 bezeichneten Stelle entlang des Basisstreifens  18 in den     Fig.    6-8. (In diesen Figuren ist nur ein       Ausschnitt    aus einem langen     Streifen    gezeigt, welcher  in der Praxis mehrere     Dutzend    oder hundert Meter  lang sein kann, wobei die elektrischen     Stromanschlüsse     je am letzten     Thermoelement-Streifen        liegen)

  .    Der  Strom     fliesst    dann     durch    die mit leitfähigem Mate  rial gefüllten     Perforierungen    zum Streifen 18b und  dann zum     n-Typ    des     thermoelektrischen        Materials    auf  der gegenüberliegenden Seite, auf welcher eine     spiegel-          bldliche    Anordnung vorhanden ist, wie sie in     Fig.    7  gezeigt ist.

   Der Strom     fliesst    sodann in Richtung des  Pfeiles 18a in     Fig.    7, durch die     thermoelektrische     Oberfläche, welche den Streifen 18 bedeckt und die  Perforierung 15 hernach     zurück    zur     p-Typ-Oberfläche.     Wenn der Strom vom     p-Typ    zum     n-Typ        fliesst,    wird  die Verbindungsstelle gemäss dem     Peltier-Effekt    ge  kühlt und umgekehrt beim     Durchfluss    vom     n-Typ     zum     p-Typ    wird die     Verbindungsstelle    erwärmt.

   Dies  wiederholt sich bei jedem p- und     n-Typ,    wobei sich  diese Vorgänge so oft wiederholen als Elemente vor  handen sind. Der Kühl- oder Wärmeeffekt kann dabei  durch einfachen Stromrichtungswechsel     erzielt    wer  den. Diese     Thermoelemente    können jedoch auch als  Stromquelle verwendet werden, indem ein Wärmege  fälle zwischen den beiden Enden der     Thermoelemente-          Kette    erzeugt wird.  



  Eine bevorzugte Ausführungsform des     Thermoele-          mentgenerators    ist in     Fig.    9 dargestellt. Diese Elemente  haben     thermoelektrische    Flächen und eine Form von       Perforierungen,    welche eine minimale Wärmewider  standserwärmung auf der     kalten    Seite des thermo-      elektrischen     Elementes    ergeben und die namentlich  .für Kühlzwecke geeignet sind.  



  In dieser     Fig.    9 ist die     Vorder-    und Rückseite  eines Elemente 34 dargestellt. Dieses ist mit vonein  ander getrennten Bändern 35 und 36 versehen, die  sich auf entgegengesetzten Seiten befinden und so an  geordnet sind, dass an sich gegenüberliegenden Stellen  abwechslungsweise eine     überlappung    37 von     thermo-          elektrischen    Flächen 38 und 39 erfolgt und auf jeder  Seite des Trägers benachbarte leitfähige Streifen 40  und 41 und 42 und 43 erzeugt werden.  



  Der leitfähige Basis-Streifen, welcher aus einem       Basismaterial,        beispielsweise    einem Metall oder einer  leitfähigen Farbe besteht, welcher ein besserer elek  trischer Leiter ist als die halbleitenden     thermoelektri-          schen    Materialien, erstrecken sich in Längsrichtung  jedoch nur so weit als die benachbarten Flächen des       thermoelektrischen    Materials ragen.

   Diese leitfähigen  Streifen bilden einen Strompfad von geringem elek  trischen Widerstand zwischen den Kanten des     thermo-          elektrischen    Materiales und den Kanten des Trägers  und sind so angeordnet, dass sie einen elektrischen  Kontakt mit dem     thermoelektrischen    Material entlang  einer Linie bilden, welche parallel zur Längsachse des  Trägerfilmes und den     Perforierungsmittel,    welche den  elektrischen Strom durch den Träger     leiten,    sind.  



  Die     Perforierungsmittel    befinden sich auf beiden  Seiten der     thermoelektrischen    Flächen und sind so  rechtwinklig zueinander angeordnet, dass     ein    mini  maler elektrischer Widerstand an der kalten Kante des       Thermoelementes    entsteht. Dies wird dadurch erreicht,  dass die     Perforierungen    44 an der kalten Verbindungs  stelle, auf einer Linie nahe und parallel zur     Kante    des       thermoelektrischen    Materials liegen, während die       Perfomierungen    45 entlang einer Linie verlaufen, wel  che im wesentlichen parallel zu den Unterbrechungen  35 und 36 liegt.

   Diese letztere Anordnung erlaubt, die  Bildung des schmalen     überlappungsteiles    37 auf bei  den Flächen mit den     Perforierungen    für die     serie-          mässige    Kupplung durch den Träger.  



  In der Praxis werden diese     Thermoelemente    in  Form einer spiralförmigen Wicklung gemäss     Fig.    10  verwendet. Das Ende der     thermoelektrischen    Schichten  der Spule 24 wird mit den Leitern 20 und 21 verbun  den, die an eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine  Batterie 22 angeschlossen werden. Bei der Wicklung  der Spule gemäss     Fig.    10 ist es wichtig, dass eine  elektrische Isolation zwischen aufeinanderfolgenden  Windungen besteht.

   Dies erfolgt durch Aufbringung  einer Isolierschicht, beispielsweise aus einem Lack auf  mindestens einer Seite des streifenförmigen     Thermo-          elementes    nach     Fertigstellung    ihrer Fabrikation, je  doch vor der Bildung der Wicklung. In     Fig.    10 ist die  Zwischenlage in Form eines dünnen Isolierfilmes 23  angedeutet, beispielsweise aus     Polyäthylenterephtha-          lat,    wobei jedoch ein dünner Isolierlack eher bevor  zugt wird.  



  In     Fig.    11 ist eine Ausführungsform dargestellt,  bei welcher eine Spule mit     thermoelektrischen    Ele  menten gemäss     Fig.    10 verwendet wird. Die Spule 24    ist mit     Wärmeaustauschringen    25, 26 verbunden, wel  che aus guten Wärmeleitern bestehen, beispielsweise  Aluminium oder Kupfer und Flanken 27 enthalten,  welche die kalten und warmen Kanten der Spule be  rühren. Kühlbleche 28 sind in das hohle Innere gescho  ben und der mittlere Teil des Aggregates wird durch  ein Isoliermaterial angefüllt zur Verminderung der       Wärmeübertragung    zwischen der heissen und kalten  Zone des Aggregates. Die Zufuhr des Stromes erfolgt  durch Drähte 29.

   Die ganze Einrichtung ist so ausge  bildet, dass sie in ein Gestell oder sonst an einem  geeigneten Ort einer Kühleinrichtung montiert wer  den kann.  



  Die beschriebenen     Thermoelemente    besitzen min  destens zwei wesentliche Vorteile gegenüber bisher  bekannten Einrichtungen.  



  1. Die Erleichterung der Bildung von     Mehrverbin-          dungselementen.     



  2. Es .ist ein grösserer elektrischer Wirkungsgrad  möglich als frühere mit Filmen     versehene    Einrichtun  gen.  



  Die Ausbildung und das Betriebsverhalten dieser       Thermoelemente    haben wesentliche Vorteile gegen  über bisher üblichen Einrichtungen. Die Art, nach  welcher die üblichen     Thermoelemente    aus Drähten  oder Stangen oder beschichteten Bändern hergestellt  wurden, ergaben keine gleich kompakte Einrichtung.  Demgegenüber haben die beschriebenen     Thermoele-          mente    den Vorteil, dass sie im gefalteten oder zu  sammengerollten Zustand     sehr    kompakt sind, wobei  die     Thermoverbindungen    gleichmässig sind und eine  feine Oberfläche haben.  



  Der geringe Wirkungsgrad der bekannten Einrich  tung, die elektrische Störanfälligkeit und die geringe  Effektivität bei der Stromerzeugung sind vermieden  oder stark beschränkt.  



  Die bevorzugte Begrenzung in der Dicke der  Schichten und des Trägers haben die Zuverlässigkeit  stark erhöht     und    diese Dickenbegrenzungen in Ver  bindung mit der     Forderung    für komplette über  deckung von mindestens einer Fläche des Trägers mit  einem leitfähigen Material und einem     thermoelektri-          schen    Material ergeben einen     verbesserten    thermischen  Wirkungsgrad. Die Begrenzungen bewirkten ebenfalls  grosse     Verbindungsstellen-Kontakte    und ein     Minimum     von     Wärmerückfluss    durch den Träger zwischen der  kalten und warmen Verbindungsstelle.  



  Diese     thermoelektrischen    Generatoren eignen sich  in bevorzugter Weise für Kühlzwecke; sie liessen sich  jedoch auch im gleichen Sinne auch zur Erzeugung  von elektrischem Strom einsetzen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Thermoelektrischer Generator, gekennzeichnet durch eine dünne, elektrisch nichtleitende Basis, eine Mehrzahl voneinander getrennter auf dieser Basis auf gebrachter Schichten aus zwei ungleichen thermoelek- trischen Materialien, Leitermittel um die Schichten zu einer thermoelektrischen Serie zu verbinden, wobei die Schichten und die Leitermittel im wesentlichen die ganze Fläche mindestens einer Seite der Basis be decken, und das Verhältnis der Dicke der Schichten zur Dicke der Basis in der Grösse von etwa 5 : 1 bis 0,3:1 liegt, bei einer maximalen Schichtdicke von 0,05 mm.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Basis in der Grösse von etwa 0,0025 bis 0,05 mm liegt. 2. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der thermoelektrischen Schicht in der Grösse von etwa 0,00075 bis 0,05 mm .liegt.

   3. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis ein flexibler Film ist und auf mindestens einer Seite des Filmes abwechslungsweise Streifen gleicher Breite und unterschiedlichem thermoelektrischem Potential auf gebracht sind und der Film entlang den Trennlinien dieser Materialien gefaltet ist zur Bildung eines Falt körpers. 4. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Film ein Polyäthylenterephthalat-Film ist.

   5. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien mit unterschiedlichem thermoelektrischem Potential p-Typ und n-Typ Wismuttelluride sind. 6. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen aus Materialien mit unterschiedlichem thermoelektrischem Potential mit einer elektrischen Isolierschicht über deckt sind.

   7. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, gekennzeichnet durch einen selbsttragenden Film, eine Mehrzahl Thermo-Verbindungsstellen mit im wesentlichen zwei Materialien von unterschiedli chem thermoelektrischem Potential, die in parallelen Streifen auf mindestens einer Seite des Filmes aufge bracht sind und alternierende thermoelektrische Ver bindungslinien haben, Mittel auf der Oberfläche des Filmes, welche die Thermo-Verbindungsstelle zu einer elektrisch leitfähigen Serie verbinden;

   eine elektrisch isolierende Schicht, welche die Thermo-Verbindungs- stelle und deren Anschluss überdeckt und Mittel, um die äussersten Elemente an einen Stromkreis anzu- schliessen, wobei der Film so gefaltet ist, dass die Faltlinien mit den Verbindungslinien übereinstimmen zur Herstellung eines Gebildes, das abwechslungswei se thermoelektrische Verbindungen auf zwei sich ge genüberliegenden Flächen aufweist.

   B. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermo- Verbindungsstellen mindestens angenähert rechtwink lig zur Filmlängsrichtung verlaufen. 9. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Streifen des p-Types und des n-Types überlappen, die Streifen gleich breit sind und die Schicht auf den Bändern ein Acryl-Lack ist.

   10. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Film aus dielektrischem Material besteht; auf sich gegenüber liegenden Flächen des Filmes ungleiche thermoelek- trische Materialschichten vorhanden sind, die quer zur Filmlängsrichtung voneinander isoliert sind; elektrisch leitfähige Mittel vorhanden sind zur Verbindung von sich auf dem Film gegenüberliegenden MateriaJschich- ten, so dass eine Serie elektrischer Stromkreise gebildet wird, welche eine Mehrzahl abwechselnder Material schichten umfasst.

   11. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch und Unteranspruch 10, dadurch gekennzeich net, dass im Film eine Mehrzahl von Perforierungen enthalten sind und die leitfähigen Mittel sich in die sen Perforierungen befinden.

   12. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch und Unteranspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass der Film flexibel ist und die Perforierungen in der Nähe der Filmränder liegen und auf sich ge genüberliegenden Stellen des Filmes thermoelektrische p-Typ- und n-Typ-Materialien befinden, und die ther- moelektrischen Schichten durch eine Mehrzahl von über die Filmbreite reichenden Isolierstreifen elek trisch voneinander getrennt sind, wobei die Isolier streifen auf den beiden Filmseiten so angebracht sind,

   dass die thermoelektrischen Materialschichten zuein ander versetzt sind; die Füllung der Perforierungen aus der Gruppe von leitfähigen Metallen, Farben, Lacke und Kleber ausgewählt sind und einen Strom pfad durch alternative thermoelektrische Schichten be wirken und eine Serie elektrischer Stromkreise erzeu gen, welche nacheinander eine thermoelektrische Schicht des p-Types, einen elektrischen Stromweg, eine thermoelektrische Schicht des n-Types und einen elektrischen Stromweg enthalten.

   13. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch, gekennzeichnet durch eine längliche, flexible dielektrische Filmbasis; ungleiche thermoelektrische Materialschichten auf gegenüberliegenden Seiten der Filmbasis, jede Schicht unterteilt ist in Flächen, wel che elektrisch mit Hilfe einer Mehrzahl Trennungen quer zur Längsachse des Filmträgers voneinander isoliert sind;

   streifenförmige Leiter zwischen je einer thermoelektrischen Schicht und der entsprechenden Kante der Filmbasis, wobei die Streifen so angeordnet sind, dass sie elektrischen Kontakt mit der thermo- elektrischen Schicht entlang einer Linie bilden, die parallel zur Längsachse der Filmbasis verläuft, die Streifen die gleiche Länge haben wie die bezügliche thermoelektrische Schicht;

   erste elektrische Leitermit tel für jede thermoelektrische Schichtfläche die zur elektrischen Verbindung geeignet sind zwischen einem ersten Leiterstreifen mit einer ersten thermoelektri- schen Schichtfläche auf der gegenüberliegenden Flä che der Filmbasis;

   zweite elektrische Leitermittel für jede thermoelektrische Schichtfläche auf der Ober fläche zur elektrischen Verbindung eines zweiten Lei- terstreifens mit einer zweiten thermoelektrischen Schichtfläche auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Filmbasis, das Ganze derart, dass die thermo- elektrischen Materialien in Serieschaltung abwechs lungsweise zwischen ungleichen Materialien auf sich gegenüberliegenden Flächen der Filmbasis liegen.

   14. Thermoelektrischer Generator nach Patentan spruch und Unteranspruch 13, dadurch gekennzeich- net, dass die ersten und zweiten elektrischen leitfähi gen Mittel Perforierungen sind, welche eine leitfähige Füllung enthalten und einen elektrischen Strompfad von minimalem elektrischem Widerstand an der kal ten Kante des Thermoelementes ergeben.