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Elektrothermische Kühlvorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrothermische
Kühlvorrichtung, bei der ein Peltierelement oder mehrere Peltierelemente in einem
gemeinsamen Behälter eingesetzt sind, in dem ein wesentlich unter Luftdruck liegender
Druck herrscht.
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Bekannt ist es, die elektrothermischen Elemente in einem allseits
geschlossenen Behälter unterzubringen. Ferner ist es bekannt, aus empfindlichen
Materialien bestehende Thermoelemente in einem evakuierten Raum anzuordnen.
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Ausgehend von diesen bekannten Vorrichtungen bezweckt die Erfindung,
einen auf die speziellen Belange von elektrothermischen Elementen abgestellten Unterdruckbehälter
zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung besteht der Unterdruckbehälter aus zwei an ihrem
Rand vakuumdicht verbundenen Blechen, wobei der Abstand der beiden Bleche durch
die Schenkellänge der Thermoelemente plus der Dicke der Kontaktbrücken auf beiden
Seiten der Elemente bestimmt wird. Durch die Verwendung eines solchen Behälters
kann man einen guten Kontaktdruck erzielen und hat zudem den Vorteil, daß sich leicht
zu handhabende Bauteile ergeben, in denen die elektrothermischen Vorrichtungen vor
mechanischen Belastungen gut geschützt sind.
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Bei der neuen Vorrichtung tritt der weitere Vorteil auf, daß die Verbindungsstellen
zwischen den Bestandteilen der elektrothermischen Kühlvorrichtungen keine Zugfestigkeit
erfordern; der notwendige elektrische und Wärmekontakt wird durch den auf den Unterdruckbehälter
von außen her wirkenden Atmosphärendruck hinreichend gut.
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Man wird die aus mehreren elektrothermischen Elementen bestehende
Batterie in einen- flachen Behälter einsetzen, der vorzugsweise die Form einer in
allen Querschnitten gleich dicken Scheibe haben kann. Das Vakuum in diesem Behälter
wird -mai so wählen, daß eine Wärmeleitung durch die gaserfüllten Räume sehr klein
ist.
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Durch das Vakuum im Behälter werden die Behälterwandungen, die von
innen mit einer dünnen elektrisch isolierenden, aber gut Wärme leitenden Schicht
bedeckt sind, gegen die Enden der Thermopaare gedrückt. Die Thermoelemente und die
sie verbindenden Metallbrücken können von den Wänden des Behälters beispielsweise
durch Glimmerzwischenlagen isoliert werden. Die Metallbrücken können als Kupferschienen
ausgeführt sein und durch Löten oder auf eine andere geeignete Weise gut Wärme leitend
an die Thermoelemente selbst angeschlossen werden. Bei Anwendung der Erfindung ist
es aber auch möglich, lediglich den durch die Unterdruckbehälterwand ausgeübten
Druck zu benutzen, um die erforderlichen Kontakte im Innern des Behälters herzustellen.
Innerhalb des Unterdruckbehälters kann auch eine thermische Serienschaltung der
Thermoelemente angewendet werden. Dabei werden die Thermoelemente, die sich an der
kalten Wand des Behälters befinden, kleiner dimensioniert als die nach der warmen
Seite zugewendeten, um einen günstigen Wirkungsgrad zu erzielen.
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Der Unterdruckbehälter wird vorzugsweise derart hergestellt, daß das
eine Blech eine tiefgezogene Wannenform aufweist, während das zweite im wesentlichen
als ebener Deckel ausgeführt wird. In beiden Blechen kann man der Versteifung dienende
Rillen anwenden. Man kann die Thermoelemente in den Unterdruckbehälter so einsetzen,
daß sie weitgehend ohne Verwendung besonderer Stützstoffe in der zugeordneten Lage
gehalten werden. Es ist aber auch möglich, die in dem Unterdruckbehälter zwischen
den Thermoelementen vorhandenen Räume mit schlecht Wärme leitendem porösem oder
festem Stoff zu füllen. Die Herstellung kann dabei folgendermaßen vor sich gehen:
Die Teile der Thermoelemente werden in der gewünschten räumlichen Anordnung aufgestellt
und in einen schlecht Wärme leitenden Stoff eingegossen. Dieser Rohling kann beiderseits
geschliffen werden, so daß die kalten und warmen Enden der Thermopaare genau auf
gleichen Abstand gebracht sind. Die Metallbrücken können danach an die zugeordneten
Stellen gelegt werden. Man kann sich hierfür mit einem bloßen Preßkontakt begnügen
oder die Brücken an den Kontaktstellen anlöten. Anschließend wird diese Batterie
in den Vakuumbehälter eingesetzt, der zugeschweißt und evakuiert wird. Die Behälterwände
sind dabei so dünn bemessen, daß sich der äußere Luftdruck gleichmäßig an jeder
Kontaktstelle im Innern auswirkt.
Die Einzelheiten der Konstruktion
sind im wesentlichen von dem Material der Thermoelemente abhängig. Man kann beispielsweise
Legierungen von Bi und Te benutzen; beispielsweise BizTe. und BiTe,. Bei einer optimalen
Spannung pro Thermopaar von etwa 0,005 V bei Temperaturdifferenz von 50° C könnte
man z. B. zweihundert Thermopaare benutzen, wobei die totale Spannung 10 V wäre.
Wie sich leicht nachrechnen läßt, könnte man auf diese Weise für ein 100-Watt-Kühlelement
Außenabmessungen des Vakuumbehälters von etwa 300 x 300 X 20 mm3 bekommen. Die Stromdurchführungen
muß man vakuumdicht ausbilden. Man wird mit Vorteil eine solche Lösung wählen, bei
der nur eine der beiden Stromdurchführungen vakuumdicht und isoliert gegenüber dem
Behälter herausgeführt wird, während die zweite durch den Behälter selbst gebildet
wird.
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In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
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Die F i g. 1 zeigt einen Querschnitt und die F i g. 2 eine Draufsicht
auf ein Ausführungsbeispiel. Der Behälter besteht im wesentlichen aus zwei am Rand
vakuumdicht verbundenen Blechen 1 und 2. Das Blech 1 hat eine tiefgezogene Wannenform,
während das Blech 2 im wesentlichen als ebener Deckel ausgeführt ist. In dem Behälter
befinden sich die elektrothermischen Elemente 3, 4 und die dazugehörigen,
sie verbindenden Metallbrücken 5. Die Elemente 3 können beispielsweise aus BiTez,
die Elemente 4 aus Bije.; bestehen. Zur Isolierung der Inneneinbauten gegenüber
den Stahlwänden des Vakuumbehälters sind Glimmerzwischenlagen 6 vorgesehen. Mit
7 ist ein aus Kork bestehender innerer Halterahmen bezeichnet, der sich gegen die
Rillen 8 in der Wand 1 des Unterdruckbehälters abstützt. Durch die Wand 2 des Behälters
sind die Leitungen 9 mit Hilfe der Glasverschmelzung 10 vakuumdicht hindurchgeführt.
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In der F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Soweit die Einzelteile mit denen in F i g. 1 übereinstimmen, sind hier die gleichen
Bezugszeichen verwendet. In den beiden Behälterwänden sind zur Versteifung dienende
Rillen 11 und 12
vorgesehen. Das Ende 13 der inneren Stromleitung ist mit
der Behälterwand 2 leitend verbunden, so daß nur eine Stromzuführung
14 mit der zugehörigen Glasverschmelzung 15 erforderlich ist. Der negative
Pol 16 der Spannungsquelle kann in diesem Fall direkt an die metallische
Wand 2 angeschlossen Die F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung,
bei der eine thermische Serienschaltung der innen eingebauten Thermoelemente benutzt
ist. Auch in diesem Fall sind, soweit die Einzelteile mit denen in den F i g. 1
und 3 übereinstimmen, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Innern dieses Unterdruckbehälters
sind zwei Thermoelementsysteme in thermischer Serienschaltung vorhanden. Nach der
Seite der kalten Wand 1 hin liegen die Thermoelemente 17; nach der Seite der warmen
Wand 2 hin liegen die Thermoelemente 18.