DE1131709B

DE1131709B - Elektrische Schaltung fuer elektrothermische Kuehlschraenke mit thermischer Kaskadenschaltung der gleich grosse Einzelwiderstaende aufweisenden Thermoelemente

Info

Publication number: DE1131709B
Application number: DEL33425A
Authority: DE
Inventors: Kurt Renner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-06-11
Filing date: 1959-06-11
Publication date: 1962-06-20
Also published as: NL252547A; NL112610C; GB930733A

Description

Es ist bekannt, daß man bei thermoelektrische! Kühlung durch Anwendung einer thermischen Kaskadenschaltung der Thermoelemente größere Temperaturdifferenzen zwischen der kalten und der warmen Seite der Anordnung und auch eine Erhöhung der Leistungsziffer erzielen kann.

Eine solche thermische Kaskade stellt nun in elektrischer Hinsicht praktisch eine Reihenparallelschaltung von Widerständen dar, und infolge der damit verbundenen Stromverzweigungen tritt bei Anlegen einer Spannung an die Kaskade in den einzelnen Elementen eine verschiedene Belastung auf. Diese Belastungsunterschiede, die zu Ausgleichsströmen zwischen den einzelnen Thermoelementen führen, haben eine Verminderung der optimal erreichbaren Kälteleistung zur Folge.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist es bereits bekannt, die einzelnen Stufen der thermischen Kaskade elektrisch gegeneinander zu isolieren und nur wärmeleitend miteinander zu verbinden. Die Elemente der verschiedenen Stufen werden dann über individuelle Stromkreise gespeist. Diese Lösung hat den Nachteil, daß in der Regel die thermischen Verluste durch die Erschwerung des Wärmeüberganges an den elektrisch gegeneinander isolierten Übergangen zwischen den Stufen beträchtlich sind, so daß auch hierdurch eine optimale Kälteleistung nicht erreicht wird.

Es ist auch bekannt, die einzelnen Stufen der Kaskade elektrisch nicht gegeneinander zu isolieren, sondern den Elementen jeder wärmeren Stufe durch größere Dimensionierung ihres Querschnittes einen kleineren Einzelwiderstand zu geben als den Elementen der nächsten kälteren Stufe. Diese Lösung zur Erreichung einer gleichmäßigen Belastung aller Elemente hat aber den Nachteil, daß für jede einzelne Stufe Elemente mit anderen Einzelwiderständen erforderlich sind.

Durch die Erfindung wird ein besserer Weg zur Verminderung der vorstehend geschilderten Nachteile bei Kaskadenschaltungen aufgezeigt.

Gemäß der Erfindung ist die elektrische Schaltung einer thermischen Kaskade, deren Thermoelemente alle gleich große Einzelwiderstände haben, so ausgebildet, daß in sämtlichen Thermoelementen einer Kaskade praktisch der gleiche Strom fließt, so daß das Entstehen von Ausgleichsströmen in den elektrisch nicht gegeneinander isolierten Verbindungen zwischen den Kaskadenstufen entweder ganz vermieden wird oder daß solche Ausgleichsströme so klein gehalten werden, daß sie die Kälteleistung nicht merkbar beeinträchtigen.

Elektrische Schaltung

für elektrothermische Kühlschränke

mit thermischer Kaskadenschaltung

der gleich große Einzelwiderstände

aufweisenden Thermoelemente

Anmelder:

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

Kurt Renner, Kassel,
ist als Erfinder genannt worden

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Belastung aller Elemente der thermischen Kaskade kann man grundsätzlich zwei Lösungswege anwenden.

Der eine Weg besteht darin, daß man den Gesamtwiderstand der ersten Stufe durch Ausgleichwiderstände derart ergänzt, daß der Gesamtwiderstand dieser Stufe gleich dem Gesamtwiderstand der in der zweiten Stufe in Reihe liegenden Thermoelemente ist. Diese Lösung erfordert einen Mehraufwand von zwei Widerständen bei einer zweistufigen Kaskade.

Der andere Weg besteht darin, die verschiedenen Stufen der thermischen Kaskade aus getrennten Stromquellen zu speisen, deren Spannungen so gewählt sind, daß die Stromstärke des Stromes, der durch die Thermoelemente fließt, in beiden Stufen praktisch gleich ist.

Durch die auf rein elektrischem Weg erzielte Vergleichmäßigung des Stromflusses in den Thermoelementen wird gleichzeitig erreicht, daß in den Verbindungen zwischen den verschiedenen Stufen kein Strom fließt. Damit brauchen diese Verbindungen nicht mehr elektrisch gegeneinander isoliert zu werden, und die mit einer solchen elektrischen Isolation verbundene schlechtere Wärmeleitung wird vermieden. Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil eines vereinfachten Aufbaus, da die Kaskade vollständig zusammengebaut werden kann, ohne daß irgendwelche Isolationen zwischengefügt werden müssen.

In der Zeichnung sind das Grundprinzip einer zweistufigen thermischen Kaskade und die für die

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beiden vorstehend angegebenen Lösungen erforderlichen Schaltungen schematisch wiedergegeben.

Das in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Aufbauschema einer zweistufigen Kaskade weist drei Thermoelementenpaare auf, die je aus einem n- und einem p-leitenden Halbleiterelement bestehen, die gleich große Einzelwiderstände haben und die miteinander und mit den anderen Paaren in der gezeigten Weise über gut wärme- und elektrisch leitende Zwischenglieder oder Anschlußstücke verbunden sind. Diese sind in bekannter Weise fest mit den Halbleiterkörpern oder miteinander, z. B. durch Löten, verbunden, wobei die Übergangswiderstände so klein wie möglich zu halten sind. Die Verbindungsstücke 2 und 4 bzw. 3 und 5 stellen die Verbindungen zwisehen den Stufen dar, die übrigen Verbindungsstücke 1, 6, 7 und 8 dienen sowohl den elektrischen Anschlüssen als auch der Verbindung mit Wärmeaustauschflächen. In der gewählten Anordnung stellen W₁ bis W_s warme Lötstellen, K₁ bis K₃ kalte Lotstellen dar.

Verbindet man nun beispielsweise die Anschlußstücke 6 und 8 mit den Klemmen einer Gleichstromquelle, so erkennt man ohne weiteres, daß sich nach den Kirchhoffschen Regeln eine Stromverteilung ergibt, die eine unterschiedliche Belastung der einzelnen Elemente darstellt, woraus sich die obenerwähnten Nachteile ergeben.

Die Fig. 2 zeigt, wie man die Schaltanordnung treffen muß, wenn man mit Hilfe von Ausgleichwiderständen R_z einen gleichen Stromfluß in allen Elementen erzielen will. Es ist auch dabei vorausgesetzt, daß die Widerstände der einzelnen Elemente untereinander gleich sind. Dies trifft praktisch nicht ganz zu, ebenso sind geringfügige Unterschiede in den Übergangswiderständen unvermeidbar, jedoch wirken sich diese bei den verhältnismäßig hohen Betriebsströmen für solche Thermoelementkaskaden praktisch kaum aus, so daß die in den beiden Querverbindungen der Schaltung fließenden Restströme vernachlässigbar sind. Die Anordnung wird aus einer einzigen Stromquelle gespeist, die für beide parallelen Zweige der, Schaltung den vollen Betriebsstrom liefern muß.

In Fig. 3 ist die Anordnung mit getrennten Stromquellen dargestellt. Die Spannung der Stromquelle V₁ beträgt dabei, ideale Verhältnisse vorausgesetzt, die Hälfte der Spannung von U₂. Beide Stromquellen liefern den gleichen vollen Betriebsstrom. Der hier fließende Ausgleichsstrom in den Querverbindungen ist zu vernachlässigen.

Die beiden Gleichstromquellen unterschiedlicher Spannung können in einfacher Weise aus dem Wechselstromnetz über einen Transformator mit getrennten Sekundärwicklungen und getrennten Gleichrichtern für die beiden Stromkreise gewonnen werden.

Im Falle der Anwendung von Ausgleichwiderständen und einer Kapselung der Elemente einer Kaskade in Isolierstoff oder einer Einbettung derselben in einen Block aus wärmeisolierendem Schaumkunststoff können diese Widerstände in die Isolierung mit eingebettet werden.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, die in den beschriebenen Beispielen für eine zweistufige Kaskade angewendet sind, können selbstverständlich sinngemäß auch bei mehr als zweistufigen thermischen Kaskaden Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung für elektrothermische Kühlschränke mit thermischer Kaskadenschaltung der gleich große Einzelwiderstände aufweisenden Thermoelemente, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der elektrischen Schaltung der Kaskade, daß in sämtlichen Thermoelementen einer Kaskade praktisch der gleiche Strom fließt, so daß das Entstehen von Ausgleichsströmen in den elektrisch nicht gegeneinander isolierten Verbindungen zwischen den einzelnen Kaskadenstufen entweder ganz vermieden wird oder daß solche Ausgleichsströme so klein gehalten werden, daß sie die Kälteleistung nicht merkbar beeinträchtigen,

2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände der Thermoelemente der ersten Stufe der Kaskade durch Ausgleichswiderstände (f?_z) derart ergänzt sind, daß der Gesamtwiderstand dieser Stufe gleich dem Gesamtwiderstand der in der zweiten Stufe der Kaskade in Reihe liegenden Thermoelemente ist.

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3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente der einzelnen Stufen der Kaskade aus getrennten elektrischen Stromquellen (C₁ und C₂) gespeist werden-, deren Spannungen so gewählt sind, daß die Stromstärke in beiden Stufen praktisch gleich ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr, 280 696; USA.-Patentschrift Nr. 2 734 344; Zeitschrift »Die Kälte«, 1957, Heft 1, S. 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen