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Thermoelektrische Anordnung Thermoelektrische Anordnungen werden unter
Ausnutzung des Seebeck-Effekts oder des Peltiereffekts angewandt. Der Wirkungsgrad
einer solchen Anordnung hängt von der Thermokraft x, der elektrischen Leitfähigkeit
a und der thermischen Leitfähigkeit k der verwendeten thermoelektrischen
Materialien ab. Die thermoelektrische Effektivität
ist ein Maß für die Qualität eines Stoffes. Bei vorgegebener Effektivität der verwendeten
Stoffe und bei vorgegebenen Arbeitstemperaturen einer thermoelektrischen Anordnung
lassen sich durch konstruktive Maßnahmen bestimmte Höchstwerte des Wirkungsgrades
zunächst nicht überschreiten. G e h 1 h o f f ,
J u s
t i und K o h 1 e r haben gezeigt (Abh. d.
Braunschw. Wiss. Ges., 2
[1950], S. 149), daß auch z. B. veränderliche Querschnitte der Thermoelementschenkel
keine Verbesserung bringen. Lediglich dadurch, daß zwei oder mehrere Thermoelemente
thermisch hintereinandergeschaltet werden, lassen sich bis zu gewissen Grenzwerten
höhere Leistungsziffern erreichen (Altenkirch Phys. Zs., 12 [1911 ], S. 920).
Wegen
der konstruktiven Schwierigkeiten - guter Wärmekontakt aufeinanderfolgender
Stufen trotz elektrischer Isolation, Übergangswiderstände - sind bisher nur
wenige Ausführungen bekanntgeworden.
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Die Erfindung zeigt einen Weg, wie durch konstruktive Maßnahmen die
Leistung, die Leistungsziffer (Wirkungsgrad) und die Leistungsdichte, das ist die
auf das Materialvolumen bezogene Leistung, vergrößert werden kann. Die Anwendung
der Erfindung ist grundsätzlich nicht an bestimmte thermoelektrische Materialien
gebunden. Auch bei geringen Effektivitäten werden diese Größen verbessert.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Anordnung mit
mindestens zwei Schenkeln als Hauptschenkel. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
an mindestens einem Hauptschenkel an mindestens einer Stelle längs des Schenkels
mindestens ein Schenkel als Nebenschenkel vom Hauptschenkel verschiedener Thermokraft
elektrisch gut leitend angeordnet ist.
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Läßt man eine thermoelektrische Anordnung zwischen zwei festen Temperaturen
(Wärmereservoirs) arbeiten, so bleibt der Wirkungsgrad unter dem Wert, den ein Carnot-Prozeß
zwischen diesen Temperaturen erzielen würde. Die Ursache hierfür sind irreversible
Begleitprozesse, nämlich die Wärmeleitung durch die Schenkel und die Erzeugung Joulescher
Wärme in den Schenkeln. Das Verhältnis dieser unerwünschten Effekte zum erwünschten
Effekt läßt sich durch die Lehre der Erfindung verringern, wenn einem Thermoelementschenkel
an Stellen, die sich auf Zwischentemperaturen (zwischen den Arbeitstemperaturen)
befinden, Wärme und elektrischer Strom zugeführt oder entzogen wird.
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Damit das System aber weiterhin Wärme nur mit zwei Reservoirs austauscht
und außerdem Stromquellen und Verbraucher nicht bei Zwischentemperaturen vorhanden
sein müssen,werden die gewünschten Wärmetönungen auf thermoelektrischem Weg mit
Hilfe des zu- oder abgeführten Stromes dadurch erzeugt, daß ein Nebenschenkel an
der gewünschten Stelle des als Hauptschenkel wirkenden Schenkels elektrisch gut
leitend angeschlossen ist. Der Nebenschenkel muß vom Hauptschenkel verschiedene
Thermolraft besitzen. Es ist günstig, wenn dieser Unterschied der Thermokräfte möglichst
groß ist und wenn der Nebenschenkel außerdem elektrisch möglichst gut und thermisch
möglichst schlecht leitet, im einfachsten Fall also aus dem gleichen Material hergestellt
wird wie der dem Hauptschenkel zugeordnete Schenkel anderer Polarität.
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An Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der thermoelektrischen
Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt sind, wird die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine thermoelektrische Anordnung gemäß der Erfindung mit
zwei Hauptschenkeln und einem Nebenschenkel, F i g. 2 und 3 eine thermoelektrische
Anordnung gemäß der Erfindung mit zwei Hauptschenkeln und mehreren Nebenschenkeln,
F i g. 4 und 5 eine thermoelektrische Anordnung gemäß der Erfindung,
bei der der Querschnitt der Schenkel über der Länge verändert ist, F i
g. 6 eine thermoelektrische Anordnung gemäß der Erfindung mit schräggestellten
Schenkeln.
Die F i g. 1 zeigt eine thermoelektrische Anordnung
gemäß der Erfindung im Schnitt mit zwei Hauptschenkeln 11 und 12 und einem
Nebenschenkel 13. Mit 14 und 15 sind gut leitende Verbindungsstücke
und mit 16 Stromzu- bzw. -ableitungen bezeichnet. Die Thermokräfte der Hauptschenkel
11
und 12 sind voneinander verschieden. Sie sind durch das gut leitende Verbindungsstück
14, das z. B. aus Kupfer bestehen kann, miteinander verbunden. An dem Hauptschenkel
11 ist mit Hilfe eines gut leitenden Verbindungsstückes 15 ein Nebenschenkel
13 angeschlossen. Die Thermokraft dieses Nebenschenkels ist verschieden von
derjenigen des Hauptschenkels 11
und kann z. B. den gleichen Wert haben wie
die Thermokraft des Hauptschenkels 12. Die Stromzu-bzw. -ableitungen bestehen aus
gut leitendem Material, z. B. aus Kupfer.
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Durch die Anordnung eines Nebenschenkels kann die Leistung, der Wirkungsgrad,
die Leistungsdichte und im Falle der thermoelektrischen Kühlung auch die maximal
erzielbare Temperaturdifferenz einer thermoelektrischen Anordnung erhöht werden.
Diese Erhöhung ist um so größer, je größer das Verhältnis der absoluten Temperaturen
ist, zwischen denen die Anordnung arbeitet.
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Die Wirkung läßt sich steigern, wenn alle Schenkel einer thermoelektrischen
Anordnung mit Nebenschenkeln versehen werden. Außerdem läßt sich eine Wirkungssteigerung
erzielen, wenn mehrere Nebenschenkel an verschiedenen Stellen der Hauptschenkel
angeschlossen werden und wenn ferner die Nebenschenkel ihrerseits so wie ein Hauptschenkel
mit Nebenschenkeln versehen werden.
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In der F i g. 2 ist eine thermoelektrische Anordnung gemäß
der Erfindung im Schnitt dargestellt. Diese Anordnung ist aus zwei Hauptschenkeln
und mehreren Nebenschenkeln aufgebaut. Mit 21 bis 28 sind die Schenkel, mit
29 Verbindungsstücke und mit 200 Stromzu- bzw. -ableitungen bezeichnet. An
jedem Schenkel sind zwei Nebenschenkel angebracht, und zwar an dem Schenkel 21 die
Nebenschenkel 23
und 24, deren Thermokraft von der des Schenkels 21 verschieden
ist. Sie kann z. B, ebenso groß sein wie die des Schenkels 22. An den Schenkel 22
sind die Nebenschenkel 25 und 26 mit verschiedener Therrnokraft bezüglich
des Schenkels 22 angeschlossen. Ferner ist an den Schenkel 24 seinerseits wiederum
ein Nebenschenkel 27 angeschlossen, dessen Thermokraft sich von der des Schenkels
24 unterscheidet und z. B. wieder gleich der Thermokraft des Schenkels 21 sein kann.
Entsprechend ist an den Nebenschenkel 26 ein Nebenschenkel 28 angeschlossen,
dessen Thermokraft von der des Schenkels 26 verschieden ist und z. B. gleich
der des Schenkels 22 sein kann.
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Sind die Eigenschaften der verwendeten thermoelektrischen Materialien
bekannt, so lassen sich die günstigsten Stellen für den Anschluß von Nebenschenkeln
sowie die günstigste Dimensionierung dieser berechnen, andernfalls müssen diese
experimentell ermittelt werden.
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Sind mehrere Schenkel einer Anordnung mit Nebenschenkeln versehen,
so kann die Potentialverteilung durch Wahl der Anschlußstellen so eingestellt werden,
daß Nebenschenkel verschiedener Thermokraft, welche an verschiedene Schenkel
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Hauptschenkel oder Nebenschenkel, die ihrerseits als Hauptschenkel fungieren
- angeschlossen sind, an der der Verbindung gemäß der Erfindung abgewandten
Seite miteinander verbunden werden können. Dies hat den Vorteil, daß diese Nebenschenkel
dann keiner eigenen Stromquelle oder -verbraucher bedürfen. Sind alle Nebenschenkel
derart mit anderen verbunden, so bildet die Anordnung wie ein bisher bekanntes Thermoelement
nur noch einen einzigen Stromkreis, der nur eines einzigen Verbrauchers bzw. einer
einzigen Stromquelle bedarf.
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An einem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist dies veranschaulicht.
Die Anordnung entspricht derjenigen nach F i g. 2. Mit 31 bis
38 sind die Schenkel, mit 39 die gut leitenden Verbindungsstücke zwischen
Haupt- und Nebenschenkeln, mit 301 gut leitende Verbindungsstücke, die
je zwei Nebenschenkel miteinander verbinden und mit 302 die beiden
Stromzu-bzw. -ableitungen bezeichnet. Bei dieser Anordnung ist die Potentialverteilung
bzw. Stromverteilung so eingestellt, daß alle Nebenschenkel paarweise miteinander
verbunden werden konnten.
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Um die Wärmezu- und -abfuhr zu vereinfachen, ist es in diesen Fällen
zweckmäßig, die Länge der Nebenschenkel so zu wählen, daß das der Verbindung zum
Hauptschenkel abgewandte Ende des Nebenschenkels, welches an eine Stromleitung oder
einen anderen Nebenschenkel angeschlossen ist, in den Bereich eines der vorhandenen
Wärmereservoirs kommt. Bei herkömmlicher Anordnung der Schenkel muß zu diesem Zweck
die Länge der Nebenschenkel etwa ebenso groß gewählt werden wie der Abstand ihrer
Anschlußstelle an den Schenkel von einem Ende dieses Schenkels.
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Die Länge der Nebenschenkel kann in weiten Grenzen variiert werden,
wenn ihr Querschnitt im gleichen Maß geändert wird, da durch die obenerwähnten Optimierungsbedingungen
lediglich das Verhältnis Länge zu Querschnitt festgelegt wird. Bei den erfindungsgemäßen
Anordnungen ist jeweils nur das Längen-Querschnitts-Verhältnis fürjedes Schenkelstück
zwischen zwei Anschlußstellen festgelegt. Dadurch kann die Form der Schenkel leicht
besonderen Anforderungen angepaßt werden. Insbesondere kann der Querschnitt längs
der Schenkel, Haupt- oder Nebenschenkel, variieren. Da in verschiedenen Teilen eines
Schenkels gemäß der Erfindung verschiedene Ströme fließen können, kann z. B. erwünscht
sein, den Querschnitt eines Schenkels im Bereich der Anschlußstelle eines Nebenschenkels
zu ändern. Soll z. B. die Stromdichte beiderseits einer Anschlußstelle und im angeschlossenen
Nebenschenkel gleich groß sein, so muß die Querschnittsänderung im Bereich der Anschlußstelle
vor der Größe des Querschnitts des angeschlossenen Nebenschenkels sein.
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In F i g. 4 ist eine solche Anordnung gemäß der Erfindung mit
Querschnittsänderungen der Schenkel dargestellt. Die Querschnittsänderungen der
Schenkel 41 und 42 sind im Bereich der Anschlußstellen ebenso groß wie die Querschnitte
der Nebenschenkel43 und 44. Die Schenkel 41 und 42 sind über das gut leitende Verbindungsstück
45 miteinander verbunden. Die Nebenschenkel 43 und 44 sind durch die Verbindungsstücke
46 an die Schenkel 41 und 42 angeschlossen. Die Nebenschenkel 43 und 44 sind durch
ein gut leitendes Verbindungsstück 47 miteinander verbunden. Mit 48 ist die Stromzu-
bzw. -ableitung bezeichnet. Die Stromdichte ist in allen Teilen der Schenkel gleich.
Eine solche Anordnung bietet fertigungstechnisch erhebliche Vorteile, da sich der
Nebenschenkel 43 aus der Aussparung des Schenkels 42
und der Nebenschenkel
44 aus der Ausparung des Schenkels 41 herausschneiden läßt.
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Wird nun der Querschnitt der Schenkel im Bereich der Anschlußstellen
im anderen Sinne, als es in F i g. 4 dargestellt ist, geändert, so erhält
man eine Anordnung, die besonders raumsparend ausgeführt werden kann. Solche Anordnungen
erreichen außerdem besonders hohe Leistungsdichten. In F i g. 5
ist ein Ausführungsbeispiel
für eine solche Anordnung dargestellt. Mit 51, 52, 53 und 54 sind die Schenkel,
mit 55 und 56 gut leitende Verbindungsstücke und mit 57 Stromzu-
bzw. -ableitungen bezeichnet. Das Verbindungsstück 55 verbindet die Hauptschenkel
51
und 52 und das Verbindungsstück 56 die Nebenschenkel
53 und 54 miteinander.
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Da an den Anschlußstellen der Nebenschenkel keine Wärme mit der Umgebung
ausgetauscht zu werden braucht, können Nebenschenkel auch ohne Zwischenschalten
besonderer Brücken aus gut leitenden Materialien, wie sie für die Verbindung von
Thermoelementschenkeln üblich sind, angeschlossen werden. Dies ist z. B. erwünscht,
wenn die Übergangswiderstände und die auf Zwischentemperaturen befindlichen Wärmekapazitäten
auf ein Mindestmaß beschränkt werden sollen. Durch geeignete Form und Anordnung
der Schenkel lassen sich diese Brücken vermeiden. So wurde in der Anordnung nach
F i g. 5 die Querschnittsänderung der Schenkel 51
und 52 gleichzeitig
dazu verwendet, um die Nebenschenkel 53 und 54 ohne solche Brücken anschließen
zu können.
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In F i g. 6 ist eine weitere Möglichkeit gezeigt, um Nebenschenkel
direkt anschließen zu können. Zu diesem Zweck sind die miteinander zu verbindenden
Schenkel 61 bis 68 geneigt gegeneinander angeordnet. Mit
69 sind Stromzu- bzw. -ableitungen bezeichnet.
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Die die Effektivität bestimmenden Materialeigenschaften, wie Thermokraft,
elektrische und thermische Leitfähigkeit, hängen im allgemeinen von der Temperatur
ab. So kann z. B. der Fall eintreten, daß ein thermoelektrisches Material
A bei der niederen der Arbeitstemperaturen einer thermoelektrischen Anordnung
eine höhere Effektivität besitzt als ein anderes Material B, während es bei der
höheren Temperatur umgekehrt ist. So hat z. B. PbTe mit 0,3 Atomprozent Na
bei 200'C eine höhere Effektivität als PbTe mit 1,0 Atomprozent Na
1Z0,3 = 1,26 - 10-3
(Grad-') und z1,0 = 1,20 - 10-3 (Grad-')], während
bei 300'C die zweite Substanz die höhere Effektivität besitzt [z",
= 1, 10 - 10-3 (Grad-) und z", = 1,20 - 10-3
(Grad-')].
Die Gesamteffektivität kann dadurch erhöht werden, daß die auf niederen Temperaturen
befindlichen Teile der Schenkel aus dem Material A,
die auf höheren Temperaturen
befindlichen Teile aus dem Material B hergestellt werden. Es sind auch mehrfache
Unterteilung und gegebenenfalls kontinuierliche Übergänge möglich. Besonders wenn
A
und B aus den gleichen Grundsubstanzen bestehen, können die Eigenschaften
längs der Schenkel durch Veränderung in der Zusammensetzung, Dotierung, Vorbehandlung
od. ä. kontinuierlich so eingestellt werden, daß sich mit Rücksicht auf die
beim Betrieb sich einstellende Temperaturverteilung an jeder Stelle Material optimaler
Effektivität befindet.
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Die Thermokraft, elektrische und thermische Leitfähigkeit lassen sich
auch durch ein Magnetfeld beeinflussen. So kann die gewünschte Anpassung dieser
Materialeigenschaften an die Temperaturverteilung gegebenenfalls auch durch ein
angelegtes konstantes oder veränderliches Magnetfeld erreicht werden. Es kann notwendig
sein, daß sich dessen Stärke und Richtung längs der Schenkel ändert. So hat z. B.
ein Einkristall aus 88 Atomprozent Bi und 12 Atomprozent Sb parallel
zur Hauptachse bei 100'K seine höchste Effektivität [z = 8,6 - 10-3
(Grad-')],
wenn er sich in einem Magnetfeld von 1000 Oersted parallel zu einer binären
Achse befindet, während bei 220'K die höchste Effektivität [z = 5,9 -
10-3
(Grad-')] in einem Magnetfeld von 17000 Oersted der gleichen Richtung erreicht
wird. Ein Schenkel aus diesem Material müßte also in ein dem Temperaturverlauf entsprechendes
Magnetfeld gebracht werden.
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Die durch die Anordnungen gemäß der Erfindung erzielbaren Verbesserungen
treten besonders hervor bei großen Temperaturdifferenzen. Im Falle der Kälteerzeugung
sind sogar Temperaturdifferenzen möglich, die mit einem herkömmlichen Thermoelement
nicht erreicht werden können. Bei großen Temperaturdifferenzen können sich aber
die Materialeigenschaften stark ändern. Daher ist es bei Anordnungen gemäß der Erfindung
besonders zweckmäßig, von den oben beschriebenen Möglichkeiten der Anpassung der
Materialeigenschaften an die Temperaturverteilung Gebrauch zu machen. B e i s
p i e 1
Es werden zwei Peltierelemente, das eine in herkömmlicher Ausführung,
das andere in einer Ausführungsform nach der Erfindung, gegenübergestellt.
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a) Peltierelement in herkömmlicher Ausführung Die Schenkel bestehen
aus einer p-leitenden Bi,Te,-Sb,Te,-Legierung und einer n-leitenden Bi,Te,-Bi,Se,-Legierung.
Die Schenkel sind je 2cm lang und haben einen Querschnitt von je 0,2cm2.
Der Gesamtquerschnitt der Schenkel beträgt q=0,4cm2. Das Gesamtvolumen der Schenkel
ist V = 0,8 cm3. Die Effektivität des Thermoelementes
z = 2,5 - 10-3 (Grad-). Wird das Thermoelement zur Kälteleistung
bei - 1 O'C gegen eine Umgebungstemperatur von +40'C verwendet, so beträgt
die Kälteleistungsziffer im günstigsten Fall, nämlich wenn das Thermoelement von
einem Strom I = 3,31 Amp. durchflossen wird, 17 = 0,275. Die Kälteleistung
ist dann QK = 0,0708 Watt. Die auf das Volumen der Schenkel bezogene
Kälteleistung beträgt
= 0,0885 Watt/cms. Die auf den Gesamtquerschnitt der Schenkel bezogene Kälteleistung
beträgt
= 0,177 Watt/cm2.
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b) Peltierelement gemäß der Erfindung mit zwei Nebenschenkeln
Die verwendeten Materialien sind die gleichen wie unter a). Die Nebenschenkel bestehen
ebenfalls aus den obengenannten Materialien. Ihr Querschnitt beträgt je 0,0478
CM2. Sie sind je 0,79 cm lang, und ebenso groß ist die Entfernung der Anschlußstellen
vom unteren Ende der Hauptschenkel. Der Gesamtquerschnitt aller Schenkel im unteren
Teil beträgt demnach q = 0,496 CM2 , das Gesamtvolumen aller
Schenkel ist V = 0,876 cm3. Bei einem Strom von 3,89 Amp. erreicht
die Kälteleistungsziffer bei den gleichen Arbeitstemperaturen wie unter a) einen
um
27,5 0/" höheren Wert als ohne die Nebenschenkel, nämlich
ii = 0,315. Die Kälteleistung ist um nahezu 50 0/, größer und
beträgt QK = 0, 106 Watt. Die auf das Volumen der Schenkel bezogene
Kälteleistung ist jetzt um 3 7 0/, größer als vorher und beträgt
= 0, 121 Watt/cm-. Die auf den Gesamtquerschnitt aller Schenkel bezogene
Kälteleistung ist um 210/, größer als vorher und beträgt
= 0,214 Watt/cm2.